In today's society, diabetes is emerging as a global issue. Most of the current commercialized blood glucose meter are invasive, and cause pain to the user. Furthermore, a risk of infection exists due to the direct contact of meter parts with skin and blood. In order to overcome these problems, various technologies of non-invasive blood glucose sensor have been investigated. For substitution of blood, non-invasive blood glucose sensors measure the blood glucose from other body fluids, such as interstitial fluid, urine, tears and saliva. Among these fluids, saliva is more advantageous for the measurement as compared to other body fluids. But glucose concentration in saliva is much lower than in blood glucose, thus any measurement equipment needs much higher sensitivity.
This thesis involves research on a surface plasmon resonance (SPR) sensor for blood glucose measurement of salivary glucose. A transmission type SPR sensor has the advantage of miniaturization when it is compared to a reflection type SPR sensor. Research on optimization for transmission type SPR sensor components, slit only structure and the single slit structure with grooves have already been conducted by preceding research groups. In this research, a new structure named as multiple slit structure is proposed. The multiple slit structure is optimized by FDTD simulation and fabricated on an Ag surface by focused ion beam (FIB) milling. Performance of the multiple slit structure is evaluated by calculating transmission (T), relative intensity change (RIC), figure of merit (FOM), and it is compared to the single slit structure and preceding research results. The optimized multiple slit structure has five slits and 129% increased transmission and 106% increased $FOM_I$ when compared to the single slit structure. In actual fabricated sensor case, the multiple slit structure has 106% increased transmission and 69% increased $FOM_I$ when compared to the single slit structure. $FOM_I$ increases by 710% when compared to preceding research. In order to increase the sensitivity and selectivity to glucose, dye chemistry that uses glucose oxidase (GOD), horseradish peroxidase (HRP), amplex ultra red (AUR) is applied. In 1mg/dL glucose, RIC is -2.66% without AUR, however, RIC increases to -17.66% with AUR.
현대 사회에서 당뇨병은 중요한 화두로 떠오르고 있다. 현재 상용화된 혈당센서는 대부분 채혈식으로 사용자의 고통을 수반할 뿐만 아니라 피부와 혈액에 직접 접촉하기 때문에 감염의 가능성도 존재한다는 위험이 있다. 이러한 단점을 극복하기 위해 무채혈식 혈당센서가 개발되어 왔다. 무채혈식 혈당센서들은 혈액을 대체하기 위해 조직액, 소변, 눈물, 침 등으로부터 혈당을 측정한다. 그 중에서도 침은 외부자극 없이 쉽게 채취할 수 있다는 장점이 있다. 하지만 침 속 포도당 농도는 혈당에 비해 매우 낮기 때문에 더 높은 감도를 필요로 한다.
본 논문은 표면 플라즈몬 공명(SPR)을 이용하여 침 속 포도당으로부터 혈당을 측정하는 센서에 관한 연구이다. 투과형 SPR 센서는 반사형 SPR 센서에 비해 소형화가 용이하다는 장점이 있다. 투과형 SPR 센서를 구성하는 슬릿과 그루브에 대한 최적화와 슬릿만 이용하거나 단일 슬릿과 그루브를 이용한 구조에 대한 연구는 선행 연구 그룹들이 진행해왔다. 본 연구에서는 증가된 감도를 얻기 위해 슬릿과 그루브를 이용한 투과형 SPR 센서에서 새로운 구조인 다중 슬릿 구조를 제안한다. 다중 슬릿 구조는 FDTD 시뮬레이션을 통하여 최적화되었으며 집속이온빔(FIB) 밀링을 통해 은(Ag) 표면에 제작되었다. 다중 슬릿 구조의 성능을 평가하기 위해서 투과율, Relative Intensity Change(RIC), Figure of Merit(FOM) 등의 계산을 통해 단일 슬릿 구조의 결과와 선행 연구 결과들과 비교했다. 최적화된 다중 슬릿 구조는 5개의 슬릿으로 구성되어 있으며 단일 슬릿 구조에 비해 129% 증가된 투과율과 106% 증가된 $FOM_I$ 을 보였다. 실제 제작된 센서는 다중 슬릿 구조가 단일 슬릿 구조에 비해 106% 증가된 투과율과 69% 증가된 $FOM_I$ 을 보였다. 선행 연구 결과에 비해서는 710% 증가된 $FOM_I$ 를 보였다. 포도당에 대한 감도와 선택성을 추가적으로 증가시키기 위해 Glucose Oxidase(GOD), Horseradish Peroxidase(HRP), Amplex Ultra Red(AUR)을 이용한 염료 화학도 적용되었다. 1mg/dL 포도당에서AUR을 사용하지 않은 결과는 -2.66%의 RIC를 보였지만 AUR을 적용한 결과는 -17.66%로 크게 증가하였다.
