KR20110021022A - Nanomechanical sensor using nanotube cantilever with fluorescent nanoparticles and method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 미세 시료의 개별적인 조작을 위한 나노조작 기술과 조작에 따른 변위의 고분해능 나노 측정기술 및 이때 시료에 가해지는 초미세력 검출이 가능한 장치이다. 보다 상세하게는, 초미세력 측정을 위하여 다중벽 탄소나노튜브 캔틸레버의 끝단에 형광 입자를 부착시키고 형광 측정을 위한 광학계를 이용하여 이 형광 입자의 위치변화를 모니터링함으로써 나노튜브의 굽힘변위를 측정한다. 제작된 나노튜브의 스프링상수와 굽힘변위로부터 가해지는 힘을 측정할 수 있는 형광 나노입자 결합형 나노튜브 캔틸레버를 이용한 나노 기계 센서 및 그 센싱 방법에 관한 것이다.The present invention is a nano-manipulation technology for the individual manipulation of the micro sample and high resolution nano-measuring technology of the displacement according to the operation and the device capable of detecting the ultra-fine force applied to the sample at this time. More specifically, the bending displacement of the nanotubes is measured by attaching the fluorescent particles to the ends of the multi-walled carbon nanotube cantilever for ultra-fine force measurement and monitoring the positional change of the fluorescent particles using an optical system for fluorescence measurement. The present invention relates to a nanomechanical sensor using a fluorescent nanoparticle-coupled nanotube cantilever that can measure the force applied from the spring constant and bending displacement of the manufactured nanotube, and a sensing method thereof.
캔틸레버(외팔보) 형태의 마이크로/나노 센서는 캔틸레버의 정적(static) 변위를 이용하여 나노 및 피코 뉴턴과 같은 극미세 힘을 측정하는 분야와 동적 (dynamic) 공진 주파수 변화로부터 극미량의 질량, 가스 입자, 그리고 생체 물질의 농도를 측정하는 분야에 널리 이용되어 왔다. 2000년부터 마이크로 가공기술(MEMS: Micro Electro-Mechanical Systems)을 이용하여 제작된 캔틸레버 센서는 고민감도 측정용 센서의 형태로 각광을 받고 있으며 다양한 재질, 크기 및 형상의 센서 제작을 통하여 분해능을 향상시키고자 하는 연구가 최근까지도 이어지고 있다. Cantilevered micro / nano sensors use the cantilever's static displacement to measure microscopic forces, such as nano and pico Newtons, and trace mass, gas particles, And it has been widely used in the field of measuring the concentration of biological material. Cantilever sensors manufactured using micro electro-mechanical systems (MEMS) since 2000 have been in the spotlight in the form of high-sensitivity measurement sensors, and have improved resolution by manufacturing sensors of various materials, sizes and shapes. The research to be continued continues until recently.
캔틸레버 센서의 측정 분해능 향상을 위해서는 높은 공진주파수와 작은 스프링상수를 갖는 센서의 개발이 요구된다. 최근까지의 캔틸레버 센서 연구 동향을 살펴보면 초기 마이크로 캔틸레버 제작에서부터 최근의 나노미터 두께를 갖는 나노 캔틸레버의 형태로 센서제작이 이루어지고, 그 결과로 측정 분해능이 향상되었음이 발표되고 있다.In order to improve the measurement resolution of the cantilever sensor, it is required to develop a sensor having a high resonance frequency and a small spring constant. The recent research on cantilever sensor research shows that the fabrication of the sensor in the form of a nano-cantilever with a nanometer thickness from the initial micro cantilever is made, and the measurement resolution is improved as a result.
도 1a 는 종래의 MEMS기술 기반의 마이크로 캔틸레버의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다. 지금까지의 나노 캔틸레버는 마이크로 캔틸레버(11)로서 도 1a에 도시된 바와 같이, 마이크로 가공기술을 이용한 깎아내기(Top-down) 방식의 제작을 통하여 만들어지고 실제 크기 역시 10㎛ 이하의 폭(w) 및 20㎛ ~ 50㎛ 의 길이(L1)를 갖는 마이크로미터 수준이고 두께(t)만 100nm 수준으로 진정한 의미의 “나노 캔틸레버”라고 볼 수 없다.FIG. 1A is a diagram schematically illustrating a configuration of a micro cantilever based on a conventional MEMS technology. Until now, the nano cantilever is a
도 1b는 본 발명에 따른 일 실시예의 구성으로서 제시된 나노튜브 기반의 나노 캔틸레버의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다. 최근 들어, 도 1b에 도시된 바와 같이, 직경(d)이 200 nm 이하이고 길이(L2)가 20㎛ ~ 50㎛ 인 나노튜브, 나노 와이어와 같은 나노물질을 이용한 나노 캔틸레버(12)를 제작 및 특성 평가하는 연구가 발표되고 있다. 연구결과에 따르면, 1차원 나노구조물인 나노튜브 및 나노와이어를 이용한 쌓아가기(Bottom-up) 제작 방식의 나노튜브 캔틸레버가 기존의 나노 캔틸레버들에 비해 센서의 측정 분해능이 뛰어나다는 것이 밝혀졌다. Figure 1b is a schematic diagram showing the configuration of a nanotube-based nano cantilever presented as a configuration of an embodiment according to the present invention. Recently, as shown in FIG. 1B, a
이러한 나노튜브 캔틸레버 형태를 갖는 센서의 측정 분해능 향상을 위해서 높은 공진 주파수와 작은 스프링 상수를 갖는 센서의 개발이 요구되는 상황이지만, 나노튜브 캔틸레버의 고분해능 센서로서의 뛰어난 기계적 특성에도 불구하고 아직까지 나노튜브의 정적, 동적 변위를 수 나노미터 분해능으로 측정할 수 있는 방법이 없었다. In order to improve the measurement resolution of the nanotube cantilever type sensor, development of a sensor having a high resonant frequency and a small spring constant is required, but despite the excellent mechanical properties of the nanotube cantilever as a high resolution sensor, There was no way to measure static and dynamic displacements with several nanometer resolution.
또한, 대부분의 나노튜브의 변위 측정이 진공환경에서 전자 현미경 이미지를 통하여 이루어지는 상황이므로 생체 시료에 적용하기 위해서는 공기 및 액체 환경에서 변위 측정이 가능한 나노 기계 센서의 개발이 시급한 상황이다.In addition, since most of the displacement measurement of the nanotube is made through an electron microscope image in a vacuum environment, it is urgent to develop a nanomechanical sensor capable of measuring displacement in an air and liquid environment for application to a biological sample.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 필요에 의하여 안출된 것으로서, 본 발명의 제 1목적은 공기 및 액체 환경에서 정적, 동적 변위 측정이 가능한 탄소나노튜브 기반의 나노튜브 캔틸레버를 이용한 나노 기계 센서를 제공하는 데 있다.Accordingly, the present invention has been made in accordance with the above needs, the first object of the present invention is to provide a nano-mechanical sensor using a carbon nanotube-based nanotube cantilever capable of measuring static and dynamic displacement in air and liquid environments There is.
또한, 본 발명의 제 2목적은 형광 나노입자를 부착한 나노튜브 캔틸레버를 사용함으로써 나노미터 수준의 물리적 변형이 측정가능한 형광나노입자 결합형 나노튜브 캔틸레버를 이용한 나노 기계 센서를 제공하는 데 있다.In addition, a second object of the present invention is to provide a nanomechanical sensor using a fluorescent nanoparticle-coupled nanotube cantilever that can measure nanometer-level physical deformation by using a nanotube cantilever attached with fluorescent nanoparticles.
그리고, 본 발명의 제 3목적은 물리량 산출에 필요한 탄소나노튜브의 휨 변위를 형광 나노입자의 형광 측정을 통해 얻을 수 있는 형광나노입자 결합형 나노튜브 캔틸레버를 이용한 나노 기계 센서의 센싱 방법을 제공하는 데 있다. In addition, a third object of the present invention is to provide a method for sensing a nanomechanical sensor using a fluorescent nanoparticle-coupled nanotube cantilever that can obtain the bending displacement of carbon nanotubes required for physical quantity calculation through the fluorescence measurement of fluorescent nanoparticles. There is.
상기와 같은 본 발명의 목적은, 소정 전압을 인가할 수 있는 마이크로 전극(100), 마이크로 전극(100)의 일단에 부착되는 소정 크기의 탄소나노튜브(110) 및 탄소나노튜브(110)의 일단에 부착된 형광 나노입자(120)로 구성된 형광 나노입자 결합형 나노튜브 캔틸레버(10); 형광 나노입자(120)에 소정 빛을 공급하는 광원(300), 빛의 조사 방향에 위치하여 형광 나노입자(120)를 여기시키는 파장대의 여기 빛만 투과시키는 여기 필터(310), 형광 나노입자(120)가 여기 빛을 흡수한 결과, 방출하는 형광만을 투과시키고 여기 빛은 반사시키는 이색거울(320) 및 투과된 형광을 검출하는 포토센서(330)로 구성된 형광 광학장치(30); 포토센서(330)로부터 검출된 형광 정보를 수신하여 형광 나노입자(120)의 동적 변위 또는 정적 변위를 도출하고, 동적 변위 또는 정적 변위에 기초하여 소정 물리량을 산출하는 제어수단(40); 및 제어수단(40)으로부터 입력받은 물리량에 대응하는 물리량 정보를 출력하는 출력수단(50);을 포함하는 것을 특징으로 하는 형광 나노입자 결합형 나노튜브 캔틸레버를 이용한 나노 기계 센서를 제공함으로써 달성될 수 있다.The object of the present invention as described above, one end of the
탄소나노튜브(110)는 길이대 직경 비율이 50:1 ~ 1000:1인 것이 바람직하다.The
또한 탄소나노튜브(110)는 광학 현미경으로 관찰이 가능한 다중벽 탄소나노튜브인 것이 바람직하다.In addition, the
그리고 탄소나노튜브(110)는 끝단에 카르복실기(112)가 형성된 것이 바람직하다.And the
형광 나노입자(120)는 생체분자와의 특이적 결합이 가능하도록 스트랩트아비딘(Streptavidin), 바이오틴(Biotin) 및 아민기(-Amine group) 중 어느 하나의 기능화된 화학기를 가진 형광 나노입자(300)인 것이 바람직하다.The
그리고 형광 나노입자(120)는 수 나노미터의 양자점(Quantum Dots), 수십 나노미터의 형광 염료(Dye) 및 수백 나노미터 크기의 단일 형광 나노입자 중 어느 하나일 수 있다.The
포토센서(330)는 전하결합소자(CCD, Charge coupled device)나 4분할 포토센서일 수 있다.The
형광 광학장치(30)는 광원(300)과 여기 필터(310) 사이에 광원(300)에서 공급되는 빛을 시준하는 제 1렌즈(305)를 더 포함하는 것이 바람직하다.The fluorescent
형광 광학장치(30)는, 이색거울(320)과 형광 나노입자(120) 사이에 반사된 여기 빛 또는 방출된 형광을 집속하는 제 2렌즈(315); 및 이색거울(320)과 포토센서(330) 사이에 형광을 결상하는 제 3렌즈(325)를 더 포함할 수 있다.The fluorescence
형광 광학장치(30)는 이색거울(320)과 포토센서(330) 사이에, 형광을 추출하는 방출 필터(340)를 더 포함하는 것이 바람직하다.The fluorescence
형광 나노입자 결합형 나노튜브 캔틸레버를 이용한 나노 기계 센서는 형광 나노입자 결합형 나노튜브 캔틸레버(10)를 장착하고 소정 거리를 이동할 수 있는 나노 스테이지(20)를 더 포함하는 것일 수 있다.The nano-mechanical sensor using the fluorescent nanoparticle-coupled nanotube cantilever may further include a
그리고 나노 스테이지(20)는 3축 제어에 의한 구동이 가능한 것이 바람직하다.In addition, the
한편, 본 발명의 목적은 다른 카테고리로서, 일단에 형광 나노입자(120)가 부착된 탄소나노튜브(110)에 소정 물질이 결합되는 단계(S100); 탄소나노튜브(110)의 휨 변위에 대응하여 형광 광학장치(30)에 내장된 포토센서(330)로부터 형광 정보를 획득하는 단계(S110); 형광 광학장치(30)와 연결된 제어수단(40)이 형광 정보로부터 형광 나노입자(110)의 굽힘변위를 측정하여 형광 나노입자(120)의 정적 변위 또는 동적 변위를 측정하는 단계(S120); 제어수단(40)이 형광 나노입자(120)의 정적 변위 또는 동적 변위를 통해 결합된 물질의 물리량을 산출하는 단계(S130); 및 출력수단(50)이 산출된 물리량에 대응하는 물리량 정보를 출력하는 단계(S140);를 포함하는 것을 특징으로 하는 형광 나노입자 결합형 탄소나노튜브를 이용한 나노 기계 센서의 센싱 방법을 제공함으로써 달성될 수 있다.On the other hand, an object of the present invention as another category, the step of binding a predetermined material to the
여기서 결합되는 물질은 디옥시리보 핵산(DNA), 단백질(Protein), 리간드(ligand) 및 리셉터(receptor) 중 어느 하나인 단일 생체분자인 것이 바람직하다.The substance to be bound is preferably a single biomolecule which is any one of deoxyribonucleic acid (DNA), protein, protein, ligand and receptor.
그리고 도출되는 물리량은 탄소나노튜브(110)의 정적 변위 측정을 통하여 이종 생체분자 간의 결합력, 단일 단백질 폴딩 힘 중 어느 하나의 미세력일 수 있다.The derived physical quantity may be any one of the binding force between heterogeneous biomolecules and the single protein folding force through the static displacement measurement of the
결합되는 물질은 기체 분자일 수 있다.The substance to be bound may be a gas molecule.
그리고 도출되는 물리량은 탄소나노튜브(110)의 고유진동수의 변화에 따른 기체 분자의 결합 농도일 수 있다.The derived physical quantity may be a binding concentration of gas molecules according to a change in natural frequency of the
상기와 같은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 공기 및 액체 환경에서 정적, 동적 변위 측정이 가능하므로 형광 나노입자 결합형 나노튜브 캔틸레버를 이용한 나노 기계 센서는 바이오 및 전기화학 센서 분야에서 고감도 센서로 이용할 수 있는 효과가 있다.According to one preferred embodiment of the present invention, since the static and dynamic displacement measurement in the air and liquid environment is possible, the nano-mechanical sensor using the fluorescent nanoparticle-coupled nanotube cantilever is a high sensitivity sensor in the field of bio and electrochemical sensors There is an effect available.
기존의 집합적(ensemble) 특성이 아닌 시료의 개별의 특성을 규명할 수 있고, 관련 반응기작을 실시간으로 관측할 수 있어 나노스케일의 기계/화학/생물학 시스템을 해석하는데 유용하다.It is useful for analyzing nanoscale mechanical / chemical / biological systems because it is possible to characterize individual samples of samples rather than the existing ensemble and to observe the relevant reactions in real time.
또한, 탄소나노튜브의 나노미터 크기는 생체 분자(예: DNA, 단백질 등)에 필적할 만한 크기이므로 생체 분자 사이의 작용력이나 개개의 생체 분자의 기계적 특성을 추출하는 실험에 이용될 수 있는 효과가 있다.In addition, the nanometer size of carbon nanotubes is comparable to those of biomolecules (eg, DNA, proteins, etc.). have.
대상 시료의 크기에 따라 관계된 힘의 영역이 변하게 되는데 DNA, 단백질과 같은 생체분자나 나노 입자, 나노 선과 같은 나노 신소재 등으로 대표되는 나노 물질에 대해서는 나노 혹은 피코 뉴턴(nN or pN) 크기의 초미세 힘의 측정이 필요하다. 본 발명은 대상 시료를 조작하고 이 때 발생되는 초미세 힘의 측정을 통하여 시료의 구조적, 기능적 특성을 추출하고 이종 시료간의 결합력 등 관련 물리량을 추출하는 힘 분광법(Force spectroscopy)에 유용한 도구가 될 수 있다. Depending on the size of the sample, the area of the related force changes.For nanomaterials represented by biomolecules such as DNA and proteins, nanoparticles, and new nanomaterials such as nanowires, nano or pico-Newton (nN or pN) sizes are very fine. Force measurement is necessary. The present invention can be a useful tool for force spectroscopy for extracting structural and functional properties of samples and extracting related physical quantities such as binding forces between different samples by manipulating the target sample and measuring the ultra-fine force generated at this time. have.
그리고, 생체 분자 관련 힘 측정에서 나노튜브의 높은 세장비와 작은 크기로 인하여 기존의 원자력 간 힘 현미경을 통한 측정 결과보다 향상된 측정 결과를 보일 뿐만 아니라, 광학현미경의 측정 한계인 200nm의 측정 분해능을 뛰어넘는 기술로서 새롭게 개발된 나노 신소재의 나노 기계 역학적 특성 평가를 위한 도구로도 이용될 수 있는 효과가 있다.In addition, due to the high size and small size of nanotubes in biomolecule-related force measurement, the measurement results are not only improved compared to conventional nuclear atomic force microscopes, but also exceed the measurement resolution of 200 nm, which is the limit of measurement of optical microscopes. As a technology, it can be used as a tool for evaluating nanomechanical properties of newly developed nanomaterials.
<나노 기계 센서의 <Nano machine sensor 실시예Example >>
도 2a는 본 발명에 따른 일 실시예의 구성을 나타낸 구성도이며, 도 2b는 본 발명에 따른 일 실시예의 구성 중 형광 나노입자와 형광 광학장치(30) 간의 상호 작용을 도시한 도면이다.Figure 2a is a block diagram showing the configuration of an embodiment according to the present invention, Figure 2b is a view showing the interaction between the fluorescent nanoparticles and the fluorescent
도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 본 발명 나노 기계 센서의 일 실시예는 형광 나노입자 결합형 나노튜브 캔틸레버(10), 형광 광학장치(30), 제어수단(40) 및 출력수단(50)으로 구성된다. 이에 더해 나노 스테이지(20)가 추가 구성이 될 수 있다. 이들 간의 연결 또는 작용을 간단히 설명하면, 형광 나노입자 결합형 나노튜브 캔틸레버(10)가 여기 빛을 조사받아 형광을 방출하면 포토센서(330)가 형광을 검출하고 제어수단(40)이 이를 형광 측정을 통해 분석하여 소정 물리량을 산출한다. 물리량에 대응하는 물리량 정보는 출력수단(50)이 입력받아 소정 형태로 출력한다.As shown in Figures 2a and 2b, one embodiment of the nanomechanical sensor of the present invention is a fluorescent nanoparticle-coupled
도 2a 및 도 2b를 참조하여 세부 구성을 설명하면, 형광 나노입자 결합형 나노튜브 캔틸레버(10)는 소정 전압을 인가할 수 있는 마이크로 전극(100), 마이크로 전극(100)의 일단에 부착되는 소정 크기의 탄소나노튜브(110) 및 탄소나노튜브(110)의 일단에 부착된 형광 나노입자(120)로 구성된다.2A and 2B, a detailed configuration of the fluorescent nanoparticle-coupled
마이크로 전극(100)은 전원 장치와 연결되어 형광 나노입자 결합형 나노튜브 캔틸레버(10)의 이용(예: 동적변위, 정적변위 측정)에 있어서 소정 전압이 인가되기 위한 구성이며, 텅스텐을 그 소재로 한다.The
그리고 탄소나노튜브(110)는 광학 현미경에서 그 크기가 관찰 가능한 다중벽 탄소나노튜브(MWNT: Multi Walled Nano Tube)이며, 광학 현미경 하에서 카본 테이프와 같은 접착제를 이용한 기계적 접착 방법이나, 유전 영동과 같은 전기적 접착 방법에 의하여 마이크로 전극(100)의 말단에 부착된다. 초기 접착 후, 탄소나노튜브(200)와 마이크로 전극(100)의 접착력을 강화시키기 위해 전자 현미경 환경에서 전자빔을 접착 부위에 조사하여 전자 현미경 내부의 비결정질 탄소 물질이 접착 부위에 증착되게 하는 방식으로 탄소나노튜브(110)를 고정시킨다.The
또한 탄소나노튜브(110)는 결합되는 소정 물질의 미세 힘 검출에 적합하도록 스프링 상수 0.001 ~ 0.01 N/m를 갖도록 구성할 필요가 있는데 이를 위해 탄소나노튜브(200)의 길이 대 직경 비율이 적어도 50:1이 넘는 것을 이용하며, 후술할 형광 나노입자(300)를 부착시킬 수 있도록 말단에 카르복실기(-COOH)가 형성된 것을 이용한다.In addition, the
형광 나노입자(120)는 탄소나노튜브(110)의 휨 변위에 대응하여 형광 정보를 얻기 위한 구성으로서, 수 나노미터의 양자점(Quantum Dots), 수십 나노미터의 형광 염료(Dye) 및 수백 나노미터 크기의 단일 형광 나노입자(Nanoparticle) 등이 가능한 구성이다. 또한, 형광 나노입자(300)는 생체분자와의 특이적 결합이 가능하도록 스트랩트아비딘(Streptavidin), 바이오틴(Biotin) 및 아민기(-Amine group) 중 어느 하나의 기능화된 화학기를 가진 형광 나노입자(120)인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 실시예에서는 직경 200nm의 구 형상을 가지는 폴리스티렌 (Polystyrene) 형광 나노입자(120, F8764, Invitrogen Inc.)를 선택하였으며, 이용된 폴리스티렌 나노입자는 그 주변에 아민기(-amine group)가 있어서 탄소나노튜브(110)의 카르복실기(-COOH)와의 수소결합을 통하여 탄소나노튜브(110)에 부착될 수 있다. 형광 나노입자 결합형 나노튜브 캔틸레버(10)는 탄소나노튜브(110) 고유의 기계적 성질을 이용하는 것이 목적이기 때문에, 형광 나노입자(120)가 탄소나노튜브(110)의 말단에만 결합되는 것이 필요하다.In the embodiment according to the present invention, polystyrene fluorescent nanoparticles (120, F8764, Invitrogen Inc.) having a spherical shape having a diameter of 200 nm was selected, and the polystyrene nanoparticles used were amine groups around them. There may be attached to the
형광 광학장치(30)는 형광 나노입자(120)에 여기 빛을 공급하는 광원(300), 여기 빛의 조사 방향에 위치하여 형광 나노입자(120)를 여기시키는 파장 영역의 빛만 투과시키는 여기 필터(310), 여기된 형광 나노입자(120)로부터 방출되는 형광만을 투과시키고 광원의 빛은 반사시키는 이색거울(320) 및 형광을 이미지면(332)에서 검출하는 포토센서(330)로 구성된다. 이에 더해 제 1렌즈(305), 제 2렌즈(315) 및 제 3렌즈(325)의 구성을 더 포함할 수 있다.The fluorescent
광원(300)은 형광 나노입자를 여기시키기 위한 것으로 본 실시예에서는 형광 나노입자의 흡수 파장대역인 490nm 근처의 파장을 포함하는 빛을 조사하였으며, 여기 필터(310)는 이에 맞도록 470 ~ 495nm의 파장대의 빛을 투과시키는 것을 사용하였다. 여기 필터(310)는 빛의 진행방향으로 광원(300)과 이색거울(320) 사이에 위치한다.The
이색거울(320)은 광원(300)에서 입사하는 여기 빛을 걸러내고 형광을 투과시켜 포토센서(330)에 전달하기 위한 구성으로서 본 실시예에서는 차단되는 파장이 505nm인 것을 사용하였다. 여기에 방출 필터(340)를 사용하여 510 ~ 520 nm의 파장대역의 빛 만을 포토센서(330)로 전달한다.The
포토센서(330)는 광다이오드(Quadrant photodiode), 광전자증배관(PMT, PhotoMultiplier Tube), 전하결합소자(CCD) 카메라 등을 사용할 수 있다. 포토센서(330)는 형광이 이미징되는 형광 이미지면(332)을 포함하며 본 실시예에서의 형광 이미지면(332)은 4.65×4.65㎛2의 화소 사이즈를 갖는 것을 사용하였다.The
그 밖에 형광측정을 위해 광원(300)과 여기 필터 사이에 제 1렌즈(305)를, 이색거울(320)과 형광 나노입자(120) 사이에 방출된 형광을 집속하는 제 2렌즈(315)를, 그리고 이색거울(320)과 포토센서(330) 사이에 제 3렌즈(325)를 더 포함하여 형광 광학장치(30)을 구성할 수 있다.In addition, the
제어수단(40)은 포토센서(330)로부터 검출된 형광 정보를 수신하여 형광 나 노입자(120)의 동적 변위 또는 정적 변위를 도출하기 위한 구성이며, 동적 변위 또는 정적 변위에 기초하여 소정 물리량(예: 나노 및 피코 뉴턴과 같은 극미세 힘, 극미량의 질량, 가스 입자, 그리고 생체 물질의 농도 등)을 산출하여 출력수단(50)에 출력한다. The control means 40 is configured to derive the dynamic displacement or static displacement of the
출력수단(50)은 제어수단(40)으로부터 입력받은 물리량에 대응하는 물리량 정보를 출력하기 위한 구성으로서 영상표시장치를 구비하여 각종 수치 또는 그래프를 시각적으로 출력하는 것이 바람직하다.The output means 50 is a component for outputting physical quantity information corresponding to the physical quantity received from the control means 40, and it is preferable to include a video display device and to visually output various numerical values or graphs.
나노 스테이지(20)는 형광 나노입자 결합형 나노튜브 캔틸레버(10)에 부착되어 미세 구동을 하기 위한 구성이다. 이를 위해 내부에 정전 용량 센서(미도시)를 구비하고, 3축 제어에 의해 다양한 방향으로 구동이 가능한 것을 사용한다.The
<< 센싱Sensing 방법의 Way of 실시예Example >>
도 3은 본 발명에 따른 일 실시예로서 센싱 방법의 과정을 나타낸 순서도이다. 도 3을 참조하여 본 발명에 따른 형광 나노입자 결합형 나노튜브 캔틸레버를 이용한 나노 기계 센서의 센싱 방법에 대하여 설명한다.3 is a flowchart illustrating a process of a sensing method according to an embodiment of the present invention. A method of sensing a nanomechanical sensor using a fluorescent nanoparticle-coupled nanotube cantilever according to the present invention will be described with reference to FIG. 3.
우선, 일단에 형광 나노입자(120)가 부착된 탄소나노튜브(110)에 소정 물질이 결합된다(S100). 여기서 소정 물질 결합단계(S100)는 물리량(예: 힘, 질량, 가스 농도 등의 다양한 물리량)을 측정하고자 하는 소정 물질(예: DNA, 단백질, 기체분자 등)과의 결합을 의미한다.First, a predetermined material is bonded to the
다음, 탄소나노튜브(110)의 휨 변위에 대응하여 형광 광학장치(30)에 내장된 포토센서(330)로부터 형광 정보를 획득한다(S110).Next, in response to the bending displacement of the
여기서, 형광 정보 획득과정(S110)은 탄소나노튜브(110)의 말단에 부착된 형광 나노입자(120)에, 형광 광학장치(30)의 광원(300)에서 조사된 여기 빛이 쪼이게 되고, 형광 나노입자(120)가 형광을 발하게 된다. 이어 형광이 포토센서(330)의 형광 이미지면(332)에서 검출됨으로써 형광 정보를 획득하게 된다.Here, in the fluorescence information acquisition process (S110), the excitation light irradiated from the
여기서, 포토센서(330)는 광다이오드, 광전자증배관, 전하결합소자, 카메라 등을 사용할 수 있다. Here, the
다음, 형광 광학장치(30)와 연결된 제어수단(40)이 형광 정보로부터 형광 나노입자(110)의 중심위치를 비교하여 형광 나노입자(120)의 정적 변위 또는 동적 변위를 측정한다(S120).Next, the control means 40 connected to the fluorescent
다음, 제어수단(40)이 형광 나노입자(120)의 정적 변위 또는 동적 변위를 통해 결합된 물질의 물리량을 산출한다(S130).Next, the control means 40 calculates the physical quantity of the combined material through the static displacement or the dynamic displacement of the fluorescent nanoparticles 120 (S130).
결합된 물질의 물리량을 산출하기 위하여 우선 탄소나노튜브 캔틸레버의 스프링 상수를 k라고 하여 도출한다. 이때, 사용한 탄소나노튜브의 길이를 L, 관성 모멘트를 I, 영 계수를 E라고 하면 아래의 [수학식 1]과 같이 나타낼 수 있는데, 일반적으로 다중벽탄소나노튜브(Multi-Walled Carbon NanoTube, MWNT)의 경우 0.001 N/m (1.0 pN/nm)보다 작거나 같은 정도의 값을 갖는다.In order to calculate the physical quantity of the bound material, first, the spring constant of the carbon nanotube cantilever is derived as k. In this case, if the length of the carbon nanotubes used is L, the moment of inertia is I, and the Young's modulus is E, it can be expressed as Equation 1 below. In general, multi-walled carbon nanotubes (MWNT) ) Is less than or equal to 0.001 N / m (1.0 pN / nm).
그리고, 형광 광학장치(30)을 통해 탄소나노튜브(110) 끝단에 부착된 형광 나노입자(120)의 변위를 통해 나노튜브의 굽힘변위를 측정하게 되는데, 이때의 변위를 x라 하면 탄소나노튜브(110)에 가해진 힘 F는 훅의 법칙(Hooke's Law)에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다.Then, the bending displacement of the nanotubes is measured through the displacement of the
끝으로, 출력수단(50)이 산출된 물리량에 대응하는 물리량 정보를 각종 수치 또는 그래프 형태로 출력한다(S140).Finally, the output means 50 outputs the physical quantity information corresponding to the calculated physical quantity in various numerical or graph forms (S140).
여기서 결합되는 물질은 디옥시리보 핵산(DNA), 단백질(Protein), 리간드(ligand) 및 리셉터(receptor) 중 어느 하나인 단일 생체분자일 수 있으며, 이 경우에 도출되는 물리량은 탄소나노튜브(110)의 정적 변위 측정을 통하여 이종 생체분자 간의 결합력, 단일 단백질 폴딩 힘 중 어느 하나의 미세력이 된다.The substance to be bound may be a single biomolecule which is any one of a deoxyribonucleic acid (DNA), a protein, a ligand, and a receptor, and the physical quantity derived in this case is the
그리고 결합되는 물질이 기체 분자일 수 있으며, 이 경우에 도출되는 물리량은 탄소나노튜브(110)의 동적 변위 측정을 기초로 형광 나노입자 결합형 탄소나노튜브(10)의 고유진동수 변화에 따른 기체 분자의 결합 농도가 된다.In addition, the substance to be bonded may be a gas molecule, and the physical quantity derived in this case may be a gas molecule according to a natural frequency change of the fluorescent nanoparticle-coupled
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 센싱 방법 중 탄소나노튜브의 동적 변위 측정을 위한 형광 이미지를 나타낸 도면이며, 도 4c는 본 발명에 따른 센싱 방법의 일 과정인 동적 변위 측정에 이용되는 고유주파수를 얻기 위하여, 탄소나노튜브의 주파수에 따른 동적 진동 변위 그래프를 나타낸 도면이다.Figure 4a and 4b is a view showing a fluorescence image for measuring the dynamic displacement of the carbon nanotubes of the sensing method according to the invention, Figure 4c is a natural frequency used for the dynamic displacement measurement as a process of the sensing method according to the present invention In order to obtain, a diagram showing a dynamic vibration displacement graph according to the frequency of carbon nanotubes.
도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 형광 나노입자 결합형 나노튜브 캔틸레 버(10)를 이용한 나노 기계 센서의 센싱 방법의 일 과정을 수행한 결과, 공급전원(교류전원)의 주파수 변화에 따라 나노튜브 캔틸레버의 동적 휨 변위가 달라지고, 이에 따른 형광 이미지(338a, 338b)가 달라지는 것을 나타낸다.As shown in FIGS. 4A and 4B, as a result of performing a process of sensing a nanomechanical sensor using the fluorescent nanoparticle-coupled
또한, 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 형광 나노입자 결합형 나노튜브 캔틸레버는 탄소나노튜브(110)의 크기에 따른 고유진동수를 갖는데, 형광 나노입자 결합형 나노튜브 캔틸레버(10)의 동적 진동 변위(334a, 334b)에 대응하는 형광 이미지(338a, 338b)로부터 공진주파수를 도출할 수 있다. 그리고, 이에 따른 물질의 물리량이 도출될 수 있으며, 다수의 형광 이미지를 얻어 가우시안 근사를 통해 도 4c와 같은 그래프를 나타낼 수도 있다.In addition, as shown in Figures 4a and 4b, the fluorescent nanoparticle-coupled nanotube cantilever has a natural frequency according to the size of the
도 4c에 도시된 바와 같이, 최대 진동 변위(334c)에서 탄소나노튜브(110)의 공진주파수를 얻을 수 있다.As shown in FIG. 4C, the resonance frequency of the
도 5a는 본 발명에 따른 센싱 방법 중 정적 변위 측정의 선형성을 보이기 위한 실험예를 간략하게 나타낸 도면, 도 5b는 도 5a에 도시된 실험예 수행 결과로서 인가전압에 대한 정적 변위 그래프를 나타낸 도면이다.Figure 5a is a simplified view showing an experimental example for showing the linearity of the static displacement measurement in the sensing method according to the present invention, Figure 5b is a diagram showing a static displacement graph with respect to the applied voltage as a result of performing the experimental example shown in FIG. .
도 5a 도시된 바에 의하면, 소정 크기의 직류전원을 인가할 때 마이크로 전극(100)과 대향 전극(102) 사이에 형성된 정전기력에 의해 탄소나노튜브(110)가 휨 변위를 갖게 되는 것을 볼 수 있다. 그리고 도 5b는 이러한 휨 변위가 인가전압에 비례함으로써 나노 기계 센서의 센싱이 가능함을 보여준다.As shown in FIG. 5A, it can be seen that the
정적 변위의 측정예로서, 형광 광학장치(30)을 통하여 포토센서(330)의 이미지 면에 찍힌 형광 이미지(338a, 338b)의 형광 세기는 가우시안 분포를 따르게 된 다. 가우시안 분포의 최고 세기 점을 형광 나노입자(120)의 중심으로 정의한 뒤, 각 이미지에서의 형광 나노입자(300) 중심위치를 비교하여 형광 나노입자(300)의 이동 변위를 측정할 수 있다. 이 과정은 참고 자료[Hyojun Park et. al., Review of Scientific Instruments, 80, 053703 (2009)]에 자세히 설명되어 있기에 여기서는 자세한 소개를 생략한다.As an example of measuring the static displacement, the fluorescence intensity of the
도 6은 본 발명에 따른 센싱 방법 중 4분할 포토센서를 사용하여 탄소나노튜브의 굽힘변위를 산출하는 방법을 나타낸 도면이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 4분할 포토센서를 사용하는 경우에는 형광 나노입자(120)의 위치에 따라 각 4분할 포토센서에 들어오는 광자의 수가 달라지게 되는데, 형광 광학장치의 배율을 M이라 할 때, 캔틸레버의 변위(x, y)는 각각 다음과 같은 관계식으로부터 구할 수 있다. 여기서 x는 임의의 한 방향, y는 x에 수직인 방향을 가리킨다. 그리고 A1, A2, A3, A4는 가상의 형광 이미지(339)가 형성된 형광 이미지면(333)을 4분할하여 나타낸 각각의 면에 도달하는 광자의 수를 의미한다.6 is a view showing a method of calculating the bending displacement of carbon nanotubes using a four-segment photosensor in the sensing method according to the present invention. As shown in FIG. 6, in the case of using the four-segment photosensor, the number of photons entering each four-segment photosensor varies according to the position of the
여기서 4분할 포토센서는 4분할 광다이오드, 4분할 광전자증배관 및 전하결합소자 카메라 등을 사용할 수 있다.The four-segment photoelectric sensor may be a four-segment photodiode, a four-segment photoelectron multiplier and a charge coupled device camera.
<< 실시예의Example 오차측정을 위한 For error measurement 실험예Experimental Example >>
도 7a 및 도 7b는 각각이 본 발명에 따른 일 실시예로서 형광 나노입자 결합형 나노튜브 캔틸레버의 구동에 따른 측정 변위와 나노 스테이지에 내장된 정전 용량 센서를 통해 측정되는 실제 변위를 비교한 구동 스테이지의 사각파 변위 그래프 및 구동 스테이지의 스텝 변위 그래프를 나타낸 도면이며, 도 7c는 도 7a 및 도 7b를 토대로 형광 측정의 정확도를 보여주는 변위 오차 히스토그램을 나타낸 도면이다.7A and 7B are driving stages comparing the measured displacements of the fluorescent nanoparticle-coupled nanotube cantilevers and the actual displacements measured by the capacitive sensor embedded in the nano-stage as an embodiment according to the present invention. Fig. 7C is a diagram showing a square wave displacement graph and a step displacement graph of a driving stage, and Fig. 7C is a diagram showing a displacement error histogram showing the accuracy of fluorescence measurement based on Figs. 7A and 7B.
도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같이, 측정 변위와 실제 변위는 50nm의 단위 변위를 목표 변위로 하여 이에 대한 오차를 분석할 때 ±6.83nm 의 정확도가 얻어졌다. 이는 도 6c의 형광 측정의 정확도를 보여주는 변위 오차 히스토그램을 통해 확인된다.As shown in Figs. 7A and 7B, the measurement displacement and the actual displacement were obtained as an accuracy of ± 6.83 nm when the error was analyzed using the unit displacement of 50 nm as the target displacement. This is confirmed through a displacement error histogram showing the accuracy of the fluorescence measurement of FIG. 6C.
여기서 정전 용량 센서(미도시)는 ±2.7nm의 정확도로 측정이 가능한 센서이며, 스텝 구동, 스테어 구동에 대해 형광 이미지 분석을 통하여 구동 변위를 측정하여 비교하였다. 이로부터 형광 측정을 통하여 약 10nm의 분해능으로 나노튜브의 변위가 측정가능함을 알 수 있다. 이는 기존의 광학 현미경의 측정 분해능(~200nm)을 뛰어넘는 수치이다.Here, the capacitive sensor (not shown) is a sensor that can be measured with an accuracy of ± 2.7 nm, and the driving displacement was measured and compared through the fluorescence image analysis for the step driving and the stair driving. It can be seen from the fluorescence measurement that the displacement of the nanotubes with a resolution of about 10nm can be measured. This exceeds the measurement resolution (~ 200nm) of conventional optical microscopes.
따라서 본 나노 기계 센서로 측정가능한 힘분해능 는 아래의 [수학식 5]로 예측 가능하다.Therefore, force resolution measurable with this nanomechanical sensor Is predictable by
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 한다. 아울러, 본 발명의 범위는 상기의 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어진다. 또한, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, It will be understood that the invention may be practiced. Therefore, the embodiments described above are to be understood as illustrative and not restrictive in all aspects. In addition, the scope of the present invention is indicated by the appended claims rather than the detailed description above. Also, it is to be construed that all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalent concepts are included in the scope of the present invention.
도 1a 는 종래의 MEMS(Micro Electro-Mechanical Systems)기술 기반의 마이크로 캔틸레버의 구성, 도 1b는 본 발명에 따른 일 실시예의 구성으로서 제시된 나노튜브 기반의 나노튜브 캔틸레버의 구성을 개략적으로 나타낸 도면,Figure 1a is a configuration of a micro-cantilever based on the conventional Micro Electro-Mechanical Systems (MEMS) technology, Figure 1b is a schematic view showing the configuration of a nanotube-based nanotube cantilever presented as a configuration of an embodiment according to the present invention,
도 2a는 본 발명에 따른 일 실시예의 구성을 나타낸 구성도,Figure 2a is a block diagram showing the configuration of an embodiment according to the present invention,
도 2b는 본 발명에 따른 일 실시예의 구성 중 형광 나노입자와 형광 광학장치(30) 간의 상호 작용을 도시한 도면,Figure 2b is a view showing the interaction between the fluorescent nanoparticles and the fluorescent
도 3은 본 발명에 따른 일 실시예로서 센싱 방법의 과정을 나타낸 순서도,3 is a flowchart illustrating a process of a sensing method according to an embodiment of the present invention;
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 센싱 방법 중 탄소나노튜브의 동적 변위 측정을 위한 형광 이미지를 나타낸 도면,4a and 4b is a view showing a fluorescence image for measuring the dynamic displacement of carbon nanotubes of the sensing method according to the present invention,
도 4c는 본 발명에 따른 일 실시예로서 동적 변위 측정에 이용되는 고유주파수를 얻기 위한 탄소나노튜브의 주파수에 따른 동적 진동 변위 그래프를 나타낸 도면,Figure 4c is a diagram showing a dynamic vibration displacement graph according to the frequency of the carbon nanotubes to obtain the natural frequency used in the dynamic displacement measurement as an embodiment according to the present invention,
도 5a는 본 발명에 따른 센싱 방법 중 정적 변위 측정의 선형성을 보이기 위한 실험예를 간략하게 나타낸 도면,Figure 5a is a simplified view showing an experimental example for showing the linearity of the static displacement measurement of the sensing method according to the present invention,
도 5b는 도 5a에 도시된 실험예 수행 결과로서 인가전압에 대한 정적 변위 그래프를 나타낸 도면,FIG. 5B is a diagram showing a static displacement graph with respect to an applied voltage as a result of performing the experimental example shown in FIG. 5A; FIG.
도 6은 본 발명에 따른 센싱 방법 중 4분할 포토센서에 이미징되는 형광 이미지를 통하여 탄소나노튜브의 굽힘변위를 산출하는 방법을 나타낸 도면,6 is a view illustrating a method of calculating bending displacement of carbon nanotubes through a fluorescence image imaged by a four-segment photo sensor in a sensing method according to the present invention;
도 7a 및 도 7b는 각각이 본 발명에 따른 일 실시예로서 형광 나노입자 결합 형 나노튜브 캔틸레버의 구동에 따른 측정 변위와 나노 스테이지에 내장된 정전 용량 센서(Capacitive Gap Sensor)를 통해 측정되는 실제 변위를 비교한 구동 스테이지의 스텝 변위 그래프 및 구동 스테이지의 스테어 변위 그래프를 나타낸 도면,7A and 7B are measurement displacements according to the driving of fluorescent nanoparticle-coupled nanotube cantilevers as an embodiment according to the present invention, and actual displacements measured through capacitive gap sensors embedded in the nano-stage. Shows a step displacement graph of the driving stage and a stage displacement graph of the driving stage,
도 7c는 도 7a 및 도 7b를 토대로 형광 측정의 정확도를 보여주는 변위 오차 히스토그램을 나타낸 도면이다.FIG. 7C is a diagram showing a displacement error histogram showing the accuracy of fluorescence measurement based on FIGS. 7A and 7B.
<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>Description of the Related Art [0002]
L1: 마이크로 캔틸레버의 길이 , L2: 탄소나노튜브의 길이L1: length of micro cantilever, L2: length of carbon nanotube
d: 탄소나노튜브의 직경, w: 마이크로 캔틸레버의 너비, t: 마이크로 캔틸레버의 두께d: diameter of carbon nanotube, w: width of micro cantilever, t: thickness of micro cantilever
10: 형광 나노입자 결합형 나노튜브 캔틸레버10: fluorescent nanoparticle-bound nanotube cantilever
11: 마이크로 캔틸레버11: micro cantilever
12: 나노 캔틸레버12: nano cantilever
20: 나노 스테이지20: nano stage
30: 형광 광학장치30: fluorescent optics
40: 제어수단40: control means
50: 출력수단50: output means
100: 마이크로 전극100: micro electrode
102: 대향 전극102: counter electrode
110: 탄소나노튜브110: carbon nanotube
112: 카르복실기112: carboxyl group
120: 형광 나노입자120: fluorescent nanoparticles
300: 광원300: light source
305: 제 1렌즈305: first lens
310: 여기 필터310: excitation filter
315: 제 2렌즈315: second lens
320: 이색거울320: unusual mirror
325: 제 3렌즈325: third lens
330: 포토센서330: photosensor
332, 333: 형광 이미지면332, 333: fluorescent image plane
334a, 334b: 동적 변위334a, 334b: dynamic displacement
334c: 최대 진동 변위334c: maximum vibration displacement
336: 정적 변위336: static displacement
338a, 338b: 형광 이미지338a, 338b: fluorescence images
339: 가상 형광 이미지339: virtual fluorescent image
340: 방출 필터340: emission filter
Claims (17)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020090078564A KR20110021022A (en) | 2009-08-25 | 2009-08-25 | Nanomechanical sensor using nanotube cantilever with fluorescent nanoparticles and method thereof |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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KR1020090078564A KR20110021022A (en) | 2009-08-25 | 2009-08-25 | Nanomechanical sensor using nanotube cantilever with fluorescent nanoparticles and method thereof |
Publications (1)
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KR20110021022A true KR20110021022A (en) | 2011-03-04 |
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ID=43929996
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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KR1020090078564A KR20110021022A (en) | 2009-08-25 | 2009-08-25 | Nanomechanical sensor using nanotube cantilever with fluorescent nanoparticles and method thereof |
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KR (1) | KR20110021022A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20160049306A (en) | 2014-10-27 | 2016-05-09 | 연세대학교 산학협력단 | Hydrogel composition containing organic-inorganic complex, micro arrays comprising the same, manufacturing method of micro arrays, and sensor comprising the same |
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2009
- 2009-08-25 KR KR1020090078564A patent/KR20110021022A/en not_active Application Discontinuation
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