These days, the demand for biosensors is increasing due to population aging and changes in eating habits. Despite the high demand for biosensors, they are in an underdeveloped state. The reason for this is that the required features of biosensors are extremely different based on the measurement location and frequency. For providing these features, biosensors require the direct and accurate detection of target materials.
Among the various biosensors, body fluids measurement is especially in demand. The potential application areas for this are diabetes and hormone-related problems. For these applications, the biosensor device should perform real-time measurement of the high sensitivities of the target materials. Pre-existing devices measure the levels of the target materials in the body fluids. Body fluids include blood, saliva, urine, interstitial fluids, and tears.
In this thesis, research on the plasmonic interferometer sensor is included. The plasmonic interferometer operates based on the principles of surface plasmon resonance (SPR) and beam interference. The goal of this research is to suggest a unique grid structure and detect the refractive index change in the interface of the sensor.
Previously, transmission-type SPR has been studied by many research groups. Transmission-type SPR sensors have advantages over the reflection types. One of the important features of the transmission type is the miniaturization of the sensing area while maintaining high sensitivity.
In this research, a unique structure that features two-dimensional grooves and slits is suggested. The suggested structure is called a grid structure. Optimization of the structure is performed by FDTD simulation.
The optimized structure is fabricated by focused ion beam (FIB) milling on Ag and Ti-deposited glass substrate. The fabricated grid structure is analyzed in terms of transmission (T), normalized transmission ($T_n$), relative intensity change (RIC), figure of merit (FOM), and sensitivity.
The simulation and experiment are first done with a polarizer. After verifying the grid structure polarization independency, the experiment is performed without a polarizer. In the simulation, the grid structure shows peak intensity at 712nm in the air condition. At 648nm, the simulation value of the $FOM_I$ is 38.6 and the sensitivity is 272nm/RIU. In the experiment, the fabricated structure shows peak intensity at 642nm in the air condition. At 658nm, the experiment value of the $FOM_I$ is 36.85 and the sensitivity is 246nm/RIU.
바이오센서의 수요증가와 맞물려 많은 센서들이 연구되어 왔다. 바이오센서에 사용되기 위해서는 높은 감도를 지니는 동시에 실시간 측정이 가능해야 한다. 표면 플라즈몬 공명(SPR) 센서는 이 조건들을 만족하는 동시에 소형화가 가능하다는 점에서 많은 연구가 진행되어 왔다.
SPR센서 중 Kretschman과 Otto형태의 SPR센서는 프리즘을 이용한 반사형이다. 프리즘을 이용한 반사형 SPR센서는 감도가 높으나 부피가 커서 소형화가 어렵다는 단점을 가진다. 따라서 소형화가 중요한 바이오센서로 사용하기에는 부적합하다. SPR 센서 중 도파관 (Waveguide)와 인터페로미터(Interferometer) 형태의 SPR 센서는 광학적 방법을 이용한 형태이다. 하지만 구조상 최소한의 길이가 정해져 있어서 소형화에는 적합하지 않다. 반면 투과형태의 SPR 센서는 나노미터 단위의 구조를 이용하기 때문에 소형화에 유리하며 동시에 높은 감도를 얻을 수 있다.
투과형태의 SPR센서에는 여러가지 종류가 있다. 가장 초기의 투과형 SPR센서는 나노홀을 이용하였고, 이가 발전하여 Bull’s eye형태 등의 구조가 등장하였다. 이 같은 센서는 편광판을 사용하지 않는다는 장점을 가지지만, 상대적으로 감도가 낮다는 단점을 가진다. 또 다른 투과형태의 SPR센서는 슬릿(Slit)과 그루브(Groove)를 이용하였다. 슬릿과 그루브를 반복적으로 배치한 SPR 센서는 상대적으로 감도가 높지만, 편광을 해주어야 SPR반응이 일어난다는 단점을 가진다.
위 실험에서는 편광의존성을 가지지 않지만 감도가 높은 SPR 센서를 제시하였다. 제시한 그리드 구조는 슬릿과 그루브를 십자형태로 교차한 형태이다. SPR 센서를 제작하기 전에 Finite Difference Time Domain(FDTD) 시뮬레이션을 진행하였다. 시뮬레이션을 통해 그리드 구조에 편광되지 않은 빛이 들어왔을 때 SPR 반응을 한다는 것을 확인할 수 있었다. 이후 구조를 최적화하기 위한 시뮬레이션을 진행하였고, 이 과정에서 얻어진 값들로 실제 센서를 제작하였다.
그리드 SPR 센서는 유리기판 위에 Ti를 5nm, Ag를 230nm 쌓은 후 Focused Ion Beam (FIB) 가공을 통해 제작되었다. $2 \times 2$ , $3 \times 3$ 그리고 $4 \times 4$ 그리드 구조를 제작하였고 제작된 센서는 할로겐 램프 광원을 이용하여 측정되었다. 가장 먼저 편광판이 있는 상황과 없는 상황을 비교하였고, 이를 통해 그리드 SPR 센서가 편광의존성을 가지지 않음을 확인할 수 있었다. 센서 특성 측정은 글루코즈 수용액과 에탄올과 물을 섞은 용액으로 진행하였다. 제작된 센서는 658nm 파장대에서 FOM값으로는 36.5, 민감도는 246nm/RIU을 가짐을 확인하였다.
그리드 구조의 SPR센서로 편광의존성을 가지지 않으면서도 상대적으로 높은 감도를 가지는 SPR센서를 제작할 수 있었다.
