The primary goal of this thesis is to propose and develop a new type of a bio-chemical sensor that combines nanophotonics with microfluics. First, we design an all-dielectric optical antenna based on photonic bandgap confinement. Our optical antenna working at the optical wavelength can achieve extremely large local electric-field intensity within a small nanogap region, in response to an incident plane wave`s intensity. Such highly concentrated electromagnetic wave`s energy can interact with a molecule to be analyzed, leading to the development of highly sensitive bio-chemical sensors. Second, elastomer micro-valves and pumps formed by multilayer soft lithography allow us to control an extremely small amount of chemical reagents and make designed chemical reactions occur within a well-partitioned small chamber. Such a microfluidic sensor chip has a potential as a disposable device, because of the use of low cost PDMS. If the proposed photonic crystal optical antenna were made on a silicon chip, it could be irreversibly bonded on to the PDMS microfluidic chip. In this way, one may realize a novel bio-chemical sensor with unprecedented high-performances through amalgamating these two technologies.
In chapter 2, we review the basic knowledge of DNA, which includes the molecular structure of the double helix and the thermodynamic explanation on the DNA melting temperature. A few important equations on the DNA melting temperature will be presented and discussed in detail. In addition, we present the design rule for three different kinds of DNAs and their complementary DNAs in the context of how one can discourage them from the secondary duplex formation. With all these in mind, we will continue our discussion on to the DNA-intercalator-separator project, which will be discussed in chapter 5.
In chapter 3, we propose a novel design of an all-dielectric optical antenna based on photonic-band-gap confinement. Specifically, we have employed a traditional 2-D photonic-crystal nanocavity mode- the dipole-mode -for surface-enhanced Raman scattering application. The dipole-mode cavity is engineered to have wide spectral overlap with the Raman signals of interests and to have well-directed vertical-radiation by introducing a plane mirror below the cavity. Considerably large local electric-field intensity enhancement ~ 4,500 is expected from the proposed design for a normally incident planewave. Furthermore, we have developed a simple, but highly-accurate analytic model based on coupled-mode theory, which predicts the electric-field intensity enhancement can easily be over 105 by employing reasonably high-Q (~ 5,000) resonators. The proposed scheme is fully compatible with existing semiconductor fabrication techniques and could be used in a wide range of applications where strong light-and-matter interactions are essential.
In chapter 4, we describe the fabrication process of multilayer soft lithography. Using this process, micro-valves in push-up or push-down configuration can be fabricated, allowing dynamic control of the flow of fluid within a small volume of nanoliter. The resultant compartmentalization of the microfluidics chip encourages massive chemical reactions of interests to be handled simultaneously on the same chip, which can improve the reproducibility and the standard deviation to get more reliable results.
In chapter 5, we report on the DNA separation and detection using a PDMS microfluidic chip. If one would have a certain technique that can separate and classify DNAs from an unknown DNA ensemble, the same technique could also be applied for identification, classification, and detection of unknown bacteria or virus. First, we have chosen proflavine as an appropriate intercalator that can trap dsDNA to the surface of a carboxylated microbead. Proflavine containing an amine group can form a robust covalent bonding with a carboxylated microbead. The universality of the intercalation ensures that all dsDNA strands will be captured. We have used several DNA strands having different GC contents to achieve the controlled release and separation of DNAs by their melting temperature. The separated DNA strands can be detected by DNA hybridization at the hybridization matrix. We have designed a comb-like micro chamber that can spatially confine microbeads while various chemical reagents including DNAs can freely pass through. Finally, we have designed DNA strands and their complementary strands to have evenly spaced melting temperatures, while suppressing the possibility of secondary duplex such as hairpins and cross-dimerization.
본 연구의 목표는 광자 공학 기술과 연성 유체 소자 기술을 결합한 새로운 형태의 생화학 센서를 설계, 제작하는 것이다. 먼저 광자 공학 기술에서 널리 이용되고 있는 ‘광결정’ 구조를 기반으로 한 초소형의 광학 안테나 구조를 설계하였다. 빛의 파장 대역에서 동작하는 광학 안테나를 이용하면 입사한 평면파 빛을 수십 나노 미터 크기의 작은 국소화된 영역으로 효율적으로 집속 시키는 것이 가능하다. 강하게 집속된 빛 에너지는 외부 생화학 분자와 효과적으로 상호 작용할 수 있어 고감도 생화학 센서를 비롯한 다양한 응용 분야에 이용될 수 있다. 한편 연성 유체 제작 기술을 이용하면 미세 탄성 밸브, 미세 연동식 펌프 등을 미세 유체관 주위에 배치 시킬 수가 있어 소량의 생화학 시료를 정교하게 제어하고 반응 시킬 수 있으며 결과를 신속하게 확인할 수 있게 된다. 연성 유체 소자는 PDMS로 알려진 실리콘 계열의 연성 물질로 만들어지기 때문에 궁극적으로는 일회용의 센서로 활용될 수 있다. 위의 광결정 광학 안테나를 실리콘 칩 상에 제작하게 된다면 PDMS기반의 연성 유체 소자와 물리적인 결합이 가능하다. 이와 같이 두 가지 분야의 서로 다른 기술을 접목하여 기존에는 불가능하였던 새로운 형태의 고성능 바이오 센서의 구현이 가능할 것이다.
제 2장에서는 이중 나선 구조를 갖는 복잡한 생화학 분자의 일종인 DNA에 대한 기본 지식을 살펴보고, 온도의 따른 이중 결합 구조의 분리를 설명하는 열역학적 이론을 설명하겠다. 또한 세 가지 종류의 단일 가닥 DNA 와 그것들의 상보적인 단일 가닥DNA를 설계하는데 있어 중요한 사항들에 관한 논의하겠다. 이와 같은 지식은 제 5장에서 심도있게 다룰 DNA-인터칼레이터 분리기를 설명하는데 있어 요긴하게 필요할 것이다.
제 3장에서는 광결정 광학 안테나에 관한 이론과 설계를 보여줄 것이다. 먼저 입사하는 평면파의 전기장 세기 증폭을 표현하는 해석적인 식을 얻기 위하여 잘 알려진 ‘결합 모드 이론(coupled mode theory)’ 를 사용하였다. 얻어진 결과에 따르면, 공진기 품위값(Q)과 공진기 모드 부피(V)로 표현될 수 있는 일반적인 미소 공진기의 경우, 전기장 세기의 증폭이 Q/V에 비례함을 볼 수 있었다. 또한 주어진 미소 공진기가 갖는 먼장 방출 패턴의 수직 방향성이 높은 전기장 증폭을 얻기 위해 중요함을 알 수 있었다. 결합 모드 이론의 결과를 기반으로 품위값이 70 정도인 광결정 이중 극자 모드와 후방 반사경 구조를 결합하여 4500 배 이상의 전기장 세기 증폭을 달성할 수 있음을 보인다. 이와 같은 낮은 Q 공진기는 라만 센서 응용에 적합할 것으로 생각되며 라만 신호 증대의 최대값은 107 정도로 예상된다. 공진기 Q에 특별한 제약이 없는 응용의 경우 Q=5000 정도의 공진 모드를 이용하여 전기장 세기 증폭 100,000 배를 쉽게 달성할 수 있다.
제 4장에서는 다층 구조의 연성 유체 칩 소자를 제작하는 공정에 대해 기술하였다. 이 공정을 이용하면 미세 유체관 윗 층 혹은 아래 층에 미세 탄성 밸브나 미세 펌프를 위치 시킬 수가 있어 유체를 흐름을 능동적으로 통제할 수 있게 된다. 또한 미세 유체관들의 구획화 설계를 통하여 여러가지 화학반응을 동시 다발적으로 수행할 수 있기 때문에 실험의 재현성과 표준 편차를 빠른 시간내에 산출할 수 있다.
마지막으로 제 5장에서는 제작된 PDMS 연성 유체 소자를 이용하여 DNA의 분리, 검출에 관한 실험 결과를 보고한다. 무작위적인 DNA 집단을 동일 집단의 DNA 별로 분리, 배열시킬 수 있다면 DNA 염기 서열 분석에 사용되는 PCR 기술을 대체할 수 있을 뿐만 아니라 박테리아나 바이러스를 인식, 분류, 검출하는 응용에도 사용할 수 있다. 우선, 인터칼레이터는 DNA 염기 배열의 종류와는 상관없이 인터칼레이터 된다는 범용성을 이용하여 DNA들을 속박시키기 위한 목적으로 프로플라빈(proflavine) 을 사용하였다. 그것은 카복실기가 대전되어 있는 미세 구슬과 공유적으로 결합한다. DNA저장소에 무작위적으로 섞여있는 이러한 이중 가닥 DNA 집단을 온도에 따라 분리, 배출시키기 위해 GC의 함량이 다른 DNA염기 서열을 사용하였다. 최종적으로 분리된 DNA 는 DNA 이종 접합을 통해 검출된다. 이종 접합을 위한 capture DNA 가 고정된 카복실 미세 구슬은 높이차가 다른 미세 유체관을 제작하여 유체관 속에서의 공간적인 이동을 제약 시켰다. 최종적으로target DNA는 그것의 상보적인 관계에 있는 capture DNA 와만 선택적으로 이종 접합을 하고 그외의 DNA 가닥들 간의 이차적인 이종 접합을 할 수 있는 확률을 줄이도록 디자인하여 결과의 신뢰도를 높혔다.
