A biomolecule is any organic molecule that is produced by a living organism. Recently, the interaction between biomolecules becomes important more and more. Because, by studying the interaction mechanism, we may obtain some clues about disease and environment pollution. Therefore, there are many researches on that in the biology, chemistry, medical and environmental science these days. For example, using DNA (Deoxyribonucleic acid) probe, there are genotyping, gene expression analysis, and gene sequencing. For using protein probe, there are protein pathway analysis, and protein expression diagnostic test. Also, bacillus anthracis, avian influenza, pharmaceutical discovery, and environmental testing that may be very dangerous to human are studied.
The issue of measuring biomolecule interaction is minute, quantitative, rapid, and label-free detection. The possible detection methods are SPR (Surface plasmon resonance), grating couplers, ellipsometry, evanes-cent wave devices, reflectometry, interferometry, and gravimetry. Among them, ellipsometry has been used widely due to its outstanding sensitivity, especially imaging ellipsometry. However, typical biomolecule sen-sors based on imaging ellipsometer reach a sensitivity limit. Therefore, alternative sensing method is required.
In this paper, an interferometric ellipsometer is proposed that uses nano-grating. The proposed system can provide phase information of target material in real time, which is known more sensitive than intensity information. Experimental phase information is compared to theoretical one by matched filter algorithm. Through that correlation algorithm, the shape of sensor module can be estimated, and then the amount of target material. Unlike previous approaches, conical diffraction data is used in the proposed method, which gives more information than planer diffraction one (p-, s- polarization). Also, small probe beam is possible in the proposed system that is one of the requirements in the future biomolecule sensor.
First, proposed idea is demonstrated using the thin film. After that, simulation and experiment are conducted on nano-grating. MUA monolayer can be detected using proposed method, which has 1.7nm monolayer thickness. It is very promising result, because general biomolecules have at least 3nm monolayer thickness.
Accuracy and resolution of the proposed system are investigated. 1nm variation of height and ridge of nano-grating can be detected. And the proposed system can sense 10-6 refractive index variation, which is the criteria of typical biomolecule sensor sensitivity. Also, it is revealed that conical diffraction data is more sensitive in the anisotropic sample (nano-grating) than the isotropic sample ( film)
생체분자(Biomolecule)란, 생물체(Living organism)에서 만들어진 유기 분자(Organic molecule)를 말한다. 최근, 생체분자 사이의 상호작용에 대한 연구가 중요시 되고 있다. 이를 통해, 질병이나 환경오염의 원인을 밝혀낼 수 있기 때문이다. 현재 이러한 생체분자 간의 상호작용은 생물, 화학, 의학, 환경 등 여러 분야에서 활발히 연구되고 있다. 대표적인 연구로는, DNA(Deoxyribonucleic acid) 프로브(Probe)를 이용한 genotyping, gene expression analysis, gene sequencing, 단백질 프로브를 이용한 protein pathway analysis, protein expression diagnostic test 등을 들 수 있다. 또한, 사람의 안전과 밀접한 관련이 있는 탄저균(Bacillus anthracis), 조류인플루엔자(Avian influenza)의 검출, pharmaceutical discovery, environmental testing과 같은 연구도 수행되고 있다.
현재, 생체분자 상호작용 측정의 이슈는, 극미량(Minute)의 생체분자를 정량적(Quantitative)으로 빠르게(Rapid) 비표지(Label-free) 방식으로 검출하는 것이다. 이러한 측정을 가능하게 하는 방법들은, SPR(Surface Plasmon Resonance), grating couplers, ellipsometry, evanescent wave devices, reflectometry, interferometry, gravimetry등이 있다. 이 중에서 타원편광기법, 특히 이미징 타원편광기법이 측정 민감도가 좋아 많이 사용되고 있다. 하지만, 이미징 타원편광기를 사용한 기존의 생체분자 센서는 민감도에 있어서 그 한계에 도달했다. 따라서 새로운 센싱 방법이 필요한 실정이다.
본 논문에서는, 나노 그레이팅을 사용하는 간섭계 타입의 초점형 타원계측기를 제시하였다. 제안한 시스템은 실시간으로 측정하고자 하는 물질에 대한 위상 정보를 제공할 수가 있는데, 이는 기존의 광도 정보보다 더 민감한 것이다. 실험적으로 얻어진 위상 정보는 matched filter 알고리즘에 의해 이론적인 위상 정보와 비교된다. 이를 통해, 센서부의 형상을 유추할 수 있고, 그에 따라 측정하고자 하는 물질의 양도 알 수 있다. 기존의 방법들과 달리 본 논문에서는 conical diffraction 정보를 이용하였는데, 이는 planar diffraction 정보보다 더 많은 정보를 제공한다. 또, 제안한 시스템에서는 프로브 빔을 작게 할 수 있는데, 이는 향후의 생체분자 센서에서 필요한 요구조건 중 하나이다.
먼저, SiO2 박막을 이용해 본 논문에서 제안된 아이디어들을 검증하였다. 그 후, 나노 그레이팅에 대해 시뮬레이션과 실험을 수행하였다. 결론적으로, 1.7nm의 단분자층 두께를 가지는 MUA라는 물질이 제안된 시스템에서 감지됨을 보였다. 일반적인 생체분자의 단분자층이 3nm 이상인 것으로 볼 때, 매우 고무적인 결과이다.
제안된 시스템의 정확도와 분해능도 평가해 보았다. 나노 그레이팅의 경우, 높이와 ridge가 1nm 정도 변하는 것을 감지할 수 있었다. 그리고, 10-6 정도의 굴절률 변화를 감지할 수 있었는데, 이는 일반적으로 생체분자 센서의 민감도를 테스트 할 때 제시하는 수치이다. 또, conical diffraction 정보가, 등방성 센서부(SiO2 필름)보다 비등방성 센서부(nano-grating)에서 보다 민감하게 반응함을 알았다.
