In this study, two different types of disposable sensor chips are presented for simple and inexpensive SPR (surface plasmon resonance) biomolecule detection: a convex single-grating SPR sensor chip and a flat multi-grating SPR sensor chip. In the convex single-grating SPR sensor chip, the incident angle of the incident light on the sensor chip is modulated by the curved surface of the convex grating for a simple and inexpensive incident-angle-modulated SPR sensing system. On the other hand, for a simple and inexpensive wavelength-modulated multi-channel SPR sensing system, a flat multi-grating SPR sensor chip generates two SPR dips in the reflected light spectrum by using an external mirror. The proposed SPR sensor chips offer a simple and inexpensive SPR sensing system without precise movable elements or expensive optical elements.
The grating pitch in the proposed sensor chips was designed as 833 nm for biomolecule detection in buffer solutions. The convex single-grating SPR sensor chip is 9 mm × 9 mm in size, and the convex grating integrated in the sensor chip has a 40-mm radius of curvature. The flat multi-grating SPR sensor chip has two fluidic channels in which a 9 mm × 9 mm grating is integrated. The distance between the two fluidic channels is 30 mm. To reduce the fabrication cost of the proposed SPR sensor chips for disposable applications, a micromolding process for the nano pitch gratings that utilizes using a commercialized master grating and PDMS was developed.
Using the fabricated convex single-grating SPR sensor chip with a 633-nm laser source, the SPR angle of water was measured with an angular resolution of 0.31°. To improve the angular resolution for biomolecule detection, the surface roughness of the convex grating as well as the spatial resolution of the detection elements should be improved.
A polychromatic light source is illuminated on the flat multi-grating SPR sensor chip. The incident angle of the light is controlled by an external mirror as 45°and 35°for two sensing channels: sensing channel 1 and sensing channel 2, respectively. The flat multi-grating SPR sensor chip achieves multi-channel SPR sensing with refractive index sensitivities of 321.78 ± 8.1 nm/RI in sensing channel 1 and 514.26 ± 8.1 nm/RI in sensing channel 2. For target biomolecule binding, biotin is immobilized on a 10 % functionalized thiol self-assembled monolayer in the sensor chip. Using the biotin-immobilized sensor chip, 0.5 ㎛ streptavidin was detected by a SPR wavelength shift of 1.13 ± 0.16 nm. The binding reaction of 0.2 ㎛ streptavidin was monitored in real-time by observing the SPR wavelength shift of 0.97 ± 0.16 nm for 30 minutes. After 30 minutes, saturation of the binding reaction was monitored by observing no SPR wavelength shift. The concentration-dependant binding reaction rate of m-antibiotin was characterized. For concentrations of m-antibiotin higher than 50 nM, the binding reaction rate does not increase due to the limited number of biotin molecules immobilized on the sensor chip. From a comparison with a commercialized SPR sensing system, it was found that the proposed flat multi-grating SPR sensor chip detects the biomolecules with an error of 0.28ng/㎟, which results mainly from the measurement uncertainty inherent in the spectrometer.
Consequently, the proposed convex single-grating SPR sensor chip and the flat multi-grating SPR sensor chip are applicable to a simple and inexpensive SPR biomolecule detection process.
본 논문에서는 간단하고 저가의 바이오분자 검출을 위한 회절격자가 집적된 일회용 표면플라즈몬 공명 (SPR) 센서 칩을 제안하였다. 볼록 형상의 회절격자가 집적된 SPR 센서 칩은 볼록 형상의 회절격자에서 입사각 조절 효과를 거두어 기계적 구동부나 복잡한 광학계가 없는 간단하고 저가의 입사각 조절형 바이오분자 검출 시스템 구현을 위한 것이다. 두 개의 평면 회절격자가 집적된 SPR 센서 칩은 외부 거울만을 이용해 파장분석형 다중채널 SPR 관찰을 가능케 하여, fiber-optic switch나 특수형상의 프리즘을 사용하는 기존의 바이오분자 검출 시스템에 비해 간단하고 저렴한 바이오분자 검출 시스템 구성이 가능하다.
두 센서 칩에 집적된 회절격자의 격자간격은 용액 속에서 바이오분자 검출을 위해 833 nm로 설계하였다. 볼록 형상 회절격자 SPR 센서 칩은 9 mm × 9 mm의 크기의 유체채널에 곡률반경 40 mm의 볼록 형상 회절격자가 집적되도록 설계하였다. 두 개의 평면 회절격자가 집적된 SPR 센서 칩에는 각각 한 개의 평면 회절격자가 집적된 두 개의 9 mm × 9mm 유체채널을 30 mm 간격으로 배치하였다. 설계된 SPR 센서 칩은 제작단가를 낮추기 위해 상용화된 회절격자를 이용한 마이크로 몰딩 공정을 통해 제작하였다.
제작된 볼록 형상의 회절격자 SPR 센서 칩을 사용해 0.31°의 각도 분해능으로 물의 SPR 각도를 측정하였다. 바이오분자 검출을 위해 각도 분해능을 높이기 위해서는 감지부의 분해능 뿐만 아니라 볼록 형상 회절격자의 표면조도를 개선해야 함을 알 수 있었다.
두 개의 평면 회절격자가 집적된 SPR 센서 칩은 각각 606 nm의 SPR 파장과 702 nm의 SPR 파장에서 321.78 ± 1.8 nm/RI 와 514.26 ± 1.8 nm/RI 의 굴절률 민감도로 다중채널 SPR 검출이 가능함을 확인하였다. Biotin이 표면의 10%에 고정된 센서 칩에 0.5 $\mu$M의 streptavidin을 반응시켜, SPR 파장이 1.13 ± 0.16nm 이동하는 것을 관찰하였으며, 이를 통해 제작된 센서 칩의 바이오 분자 검출 성능을 확인하였다. 또한, 표면의 10%에 biotin이 고정된 센서 칩에 0.2 $\mu$M의 streptavidin을 반응 시킨 후, 반응 시간에 따른 SPR 파장 이동을 측정함으로써 biotin과 streptavidin의 결합 반응을 실시간으로 관찰하였으며, 그 결과 반응 후 30분 동안 활발한 결합반응이 일어난 후, 반응이 포화되는 것을 관찰하였다. 같은 방법으로 biotin이 고정된 센서 칩에서 monoclonal-antibiotin의 농도에 따른 SPR 파장이동을 비교함으로써, 반응 용액의 농도가 높아짐에 따라 반응 속도가 올라가지만, 50 nM 이상의 monoclonal-antibiotin 용액에서는 센서 칩 표면에 고정된 biotin 분자 수의 제한으로 더 이상 반응속도가 올라가지 않는 현상을 관찰하였다. 또한, 상용화된 SPR 검출 시스템과 비교를 통하여, 제안한 SPR 센서 칩이 상용화된 시스템과 0.00028의 굴절률 오차, 즉 0.28 ng/mm2의 표면반응 분자량 오차를 가지고 바이오분자를 검출 할 수 있음을 확인하였다.
저가의 입사각 조절형 SPR 검출 시스템을 위한 볼록 형상의 회절격자가 집적된 SPR 센서 칩의 경우, 0.31°의 각도 분해능으로 SPR 각도를 측정할 수 있었으나, 볼록 형상 회절격자의 표면조도로 인해 각도 분해능 상향에 제한이 있었다. 간단하고 저가의 파장 조절형 다중채널 SPR 검출 시스템을 위한 두 개의 평면 회절격자가 집적된 SPR 센서 칩의 경우, 0.28 ng/㎟의 오차로 바이오분자를 검출하여, 상용장비와 대등한 성능을 확인하였다.
