KR101065077B1

KR101065077B1 - 시료 검출용 기판, 이를 채용한 바이오칩, 시료 검출용 기판의 제조방법 및 바이오 물질 검출장치

Info

Publication number: KR101065077B1
Application number: KR1020080109465A
Authority: KR
Inventors: 조성호; 이동호
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2008-11-05
Filing date: 2008-11-05
Publication date: 2011-09-15
Anticipated expiration: 2028-11-05
Also published as: KR20100050258A; EP2184599A3; US8288738B2; EP2184599A2; CN101769856A; US20100108865A1

Abstract

시료 검출용 기판, 이를 채용한 바이오칩, 시료 검출용 기판의 제조방법 및 바이오 물질 검출장치가 개시된다. 개시된 시료 검출용 기판은 형광을 방출하는 시료가 부착될 수 있으며 시료에서 방출되는 형광을 집광시키는 굴절력을 갖는 복수의 마이크로 렌즈가 배열되어 있다. 바이오칩은 이러한 시료 검출용 기판에 바이오 물질이 부착되어 있으며, 마이크로 렌즈는 바이오 물질에서 방출되는 형광을 광검출기에 집광시킨다.

Description

시료 검출용 기판, 이를 채용한 바이오칩, 시료 검출용 기판의 제조방법 및 바이오 물질 검출장치{Substrate for detecting samples, Bio-chip employ the same, method of fabricating the substrate for detecting samples, and apparatus for detecting bio-material}

본 발명은 시료 검출용 기판, 이를 채용한 바이오칩 및 시료 검출용 기판의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 분광학적 방법으로 시료를 검출하는데 사용되는 시료 검출용 기판, 이를 채용한 바이오칩 및 시료 검출용 기판의 제조방법에 관한 것이다.

바이오칩(bio-chip)은, 통상적으로 기판 상에 마이크로 단위의 매우 작은 셀들이 행렬 형태로 배열된 구조를 가지고 있으며, 이러한 셀들에는 핵산이나 단백질과 같은 바이오 물질(bio-material)이 배열되어 있다. 바이오칩의 기판에 고정된 바이오 물질은 프로브 바이오 물질(probe bio-materials)로서, 타겟이 되는 바이오 물질에 대해 생물학적 수용체로 기능한다.

바이오칩은 핵산의 혼성화(hybridization) 반응이나 항원-항체 반응과 같은 바이오 물질들간의 상호작용을 이용하여 타겟이 되는 바이오 물질을 검출한다. 이 러한 바이오칩은, 특정의 염기서열을 갖는 핵산이나 단백질과 같은 바이오 물질을 검출함으로써, 유전자 기능연구, 질병관련 유전자 검색, 유전자 발현, 단백질 분포등을 분석하는 도구로 사용될 수 있다.

프로브 바이오 물질과 타켓 바이오 물질의 상호작용의 검출은 형광 검출 방법을 주로 이용한다. 이러한 형광 검출 방법은, 바이오 물질에 표지된 형광 물질에 소정의 여기광을 조사하여 얻어지는 형광 이미지를 검출하는 분광학적인 방법이다. 형광 이미지의 검출은, CCD 스캐너와 같은 광 검출장치를 통해 이루어진다. 여기서, 바이오칩에 사용되는 기판은 분광학적 방법으로 시료를 검출하는데 사용되는 시료 검출용 기판의 일례이다.

바이오 물질에 표지된 형광 물질에 소정의 여기광을 조사하여 얻어지는 형광은, 조사되는 여기광에 비하여 매우 약한 광이며 무지향적으로 방출되므로, 광 검출장치에 검출되는 형광의 세기는 매우 미약하다. 또한, 기판 위에 바이오 물질이 고밀도로 집적되어 있으며 형광은 무지향적으로 방출되므로, 검출되는 형광 이미지는 이웃하는 바이오 물질에 표지된 형광 물질에서 방출된 형광에 의하여 흐려지므로, 검출되는 결과의 신뢰성을 떨어뜨린다.

본 발명의 실시예들에서는 바이오 물질과 같은 시료에서 방출되는 형광의 검출 효율을 향상시킬 수 있는 시료 검출용 기판, 이를 채용한 바이오칩, 시료 검출용 기판의 제조방법 및 바이오 물질 검출장치를 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 시료 검출용 기판은 형광을 방출되는 시료가 부착될 수 있으며 시료에서 방출되는 형광을 집광시키는 굴절력을 갖는 복수의 마이크로 렌즈가 배열되어 있다.

상기 기판의 몸체는 유리, 반도체, 유전체 물질, 금속 또는 폴리머로 형성될 수 있다.

상기 복수의 마이크로 렌즈는 무기질 물질, 유기질 물질, 폴리머는 유전체 물질 형성될 수 있다.

상기 복수의 마이크로 렌즈는 시료가 부착될 수 있도록 표면처리될 수 있다. 예를 들어, 상기 복수의 마이크로 렌즈의 표면은 친수성을 가지며, 상기 복수의 마이크로 렌즈가 마련된 영역의 외곽의 기판 표면은 소수성을 가지도록 표면처리될 수 있다.

상기 기판의 몸체는 소수성 물질로 형성되고, 상기 복수의 마이크로 렌즈는 친수성 물질로 형성될 수 있다.

상기 복수의 마이크로 렌즈는 볼록, 오목 또는 플랫-반구형의 형상을 가질 수 있다.

상기 복수의 마이크로 렌즈의 표면에 마련된 것으로, 시료에서 방출된 형광을 통과시키는 반사방지막을 더 포함할 수 있다. 이러한 반사방지막이 시료에 대해 친화성이 좋은 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 반사방지막은 친수성을 지닐 수 있다.

상기 복수의 마이크로 렌즈와 기판의 몸체 사이에 개재된 것으로, 시료에서 방출된 형광을 반사시키는 반사막이 더 포함될 수 있다.

상기 복수의 마이크로 렌즈의 표면에 마련된 것으로, 시료에서 방출된 형광을 반사시키는 반사막을 더 포함될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 바이오칩은 타겟 바이오 물질과 상호작용하는 프로브 바이오 물질; 및 상기 프로브 바이오 물질이 부착된 것으로, 상기 프로브 바이오 물질과 타겟 바이오 물질이 상호작용하여 방출하게 되는 형광을 집광시키는 굴절력을 갖는 복수의 마이크로 렌즈가 배열된 기판;을 포함한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 바이오칩은 상기 기판의 복수의 마이크로 렌 즈가 배열된 면의 이면에 마련된 광검출기를 더 포함할 수 있으며, 상기 복수의 마이크로 렌즈는 상기 형광을 상기 광검출기에 집광시킬 수 있다. 상기 광검출기는 상기 기판과 일체로 결합될 수 있다. 또한, 광검출기의 화소는 상기 복수의 마이크로 렌즈와 일대일 또는 일대다로 대응될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 바이오칩은 상기 기판과 광검출기 사이에 개재되는 것으로, 상기 형광은 통과시키고 시료를 여기시키는 여기광은 흡수하는 여기광 흡수 필터를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 시료 검출용 기판의 제조방법은, 기판에 포토레지스트를 도포하고, 도포된 포토레지스트를 패터닝하여 마이크로 렌즈의 패턴을 형성하는 단계; 및 패터닝된 포토레지스트를 이용하여 상기 기판상에 복수의 마이크로 렌즈를 형성하는 단계;를 포함하며, 상기 복수의 마이크로 렌즈가 형성되는 영역과 상기 복수의 마이크로 렌즈가 형성되지 않은 영역에 서로 다른 물질을 도포하여 친수성과 소수성을 조절한다.

상기 복수의 마이크로 렌즈를 형성하는 단계는, 상기 패터닝된 포토레지스트를 리플로우하여 상기 패터닝된 포토레지스트를 복수의 마이크로 렌즈로 변형시키는 단계;를 포함할 수 있다. 이때, 상기 포토레지스트는 친수성을 가질 수 있다.

상기 복수의 마이크로 렌즈를 형성하는 단계는, 상기 패터닝된 포토레지스트를 리플로우하여 상기 패터닝된 포토레지스트를 마이크로 렌즈의 형상으로 변형시키는 단계; 및 상기 마이크로 렌즈 형상으로 변형된 포토레지스트가 마련된 기판 상부면 전체를 식각하여 복수의 마이크로 렌즈를 형성하는 단계;를 포함할 수 있 다. 여기서, 상기 복수의 마이크로 렌즈에 시료가 부착될 수 있도록 상기 복수의 마이크로 렌즈의 표면을 표면처리하는 단계가 더 포함될 수 있다.

상기 마이크로 렌즈의 패턴을 형성하는 단계는, 상기 기판에 포토레지스트를 도포하기 전에 유전체 물질층을 형성하는 단계를 더 포함하며, 상기 복수의 마이크로 렌즈를 형성하는 단계는, 상기 패터닝된 포토레지스트를 리플로우하여 상기 패터닝된 포토레지스트를 마이크로 렌즈의 형상으로 변형시키는 단계; 및 상기 마이크로 렌즈 형상으로 변형된 포토레지스트가 마련된 기판 상부면을 식각하여, 상기 유전체 물질층으로 복수의 마이크로 렌즈를 형성하는 단계;를 포함할 수 있다. 상기 유전체 물질층은 친수성 물질로 형성할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 물질 검출장치는, 타겟 바이오 물질과 상호작용할 수 있는 프로브 바이오 물질과, 상기 프로브 바이오 물질이 부착되며 상기 프로브 바이오 물질과 타겟 바이오 물질이 상호작용하여 방출하게 되는 형광을 집광하는 복수의 마이크로 렌즈가 배열된 기판을 포함하는 바이오칩; 및 상기 형광이 집광되는 위치에 배치되어, 상기 형광을 검출하는 광검출기;를 포함한다.

상기 광검출기는 상기 기판의 복수의 마이크로 렌즈가 배열된 면의 이면 쪽에 마련될 수 있다. 또는 상기 광검출기는 상기 기판의 복수의 마이크로 렌즈가 배열된 면 쪽에 마련될 수 있다.

상기 광검출기는 PMT(Photomultiplier tube), CCD(Charge Coupled Device), 또는 CIS(CMOS Image Sensor)를 포함하는 이미지 센서나 스캐너일 수 있다.

상기 바이오칩과 광검출기 사이에 개재되는 것으로, 상기 형광은 통과시키고 시료를 여기시키는 여기광은 흡수하는 여기광 흡수흡수 필터가 더 포함될 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 시료 검출용 기판을 마이크로 렌즈 구조체로 함으로써, 바이오 물질과 같은 시료가 부착되는 면적을 늘릴 뿐만 아니라, 바이오 물질과 같은 시료에서 방출하는 형광을 집광하도록 하여, 형광의 검출 효율을 향상시킬 수 있다.　

이하, 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나 아래에 예시되는 실시예는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니며, 본 발명을 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 충분히 설명하기 위해 제공되는 것이다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 시료 검출용 기판을 개략적으로 도시한다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예의 시료 검출용 기판(10)은, 기판(10)의 일면에 복수의 마이크로 렌즈(12)가 형성된 구조를 갖는다.

본 실시예의 시료 검출용 기판(10)에 부착되는 시료는, 형광 검출 방법으로 검출될 수 있는 시료로서, 예를 들어, 형광 표지된 핵산과 같은 같은 바이오 물질이 될 수 있다.

기판의 몸체(11)와 마이크로 렌즈(12)는 유리, 반도체, 유전체 물질 또는 포토레지스트와 같은 폴리머로 형성될 수 있다. 반도체의 예로 Si, GaAs, InP 등을 들 수 있으며, 유전체 물질의 예로 SiO_x, Si_xN_y, TiO_x 등을 들 수 있다. 본 실시예의 시료 검출용 기판(10)는 투과형 기판이다. 즉, 시료가 부착되는 면의 이면 쪽에서 시료에서 방출하는 형광을 검출할 수 있도록, 기판의 몸체(11)는 형광의 파장대에 대해 투명한 물질로 형성된다.

복수의 마이크로 렌즈(12)는 소정의 배열을 이루어, 바이오 물질과 같은 시료가 부착된다. 가령, DNA칩으로 사용되는 경우, 마이크로 렌즈(12)는 동종의 프로브 핵산이 다수개 부착된 영역의 최소 단위가 되며, 타겟 핵산을 검출하기 위해 여기광을 DNA칩에 조명할 때 얻어지는 형광 이미지의 최소 픽셀이 된다. 이러한 마이크로 렌즈(12)는 예를 들어, 서브 μm 내지 수 μm의 직경을 가질 수 있다. 도 1에는 마이크로 렌즈(12)의 단면 형상은 원형인 경우가 도시되고 있으나, 이는 일례일 뿐이고 사각형 등의 다각형 형상으로도 형성될 수 있다.

마이크로 렌즈(12)의 표면은 시료가 부착되는 반응 영역이며, 마이크로 렌즈(12)가 마련된 영역의 외곽(13)은 시료가 부착되지 않는 비반응 영역이다. 시료가 마이크로 렌즈(12)의 표면에만 잘 부착될 수 있도록, 마이크로 렌즈(12)의 표면이나 마이크로 렌즈(12)가 마련된 영역의 외곽(13)은 표면처리를 한다. 가령, 기판의 몸체(11)가 시료나 시료가 분산된 액체에 대해 친화적이지 않는 재료로 형성되는 경우, 마이크로 렌즈(12)는 시료나 시료가 분산된 액체에 대해 친화성을 갖도록 표면처리될 수 있다. 이러한 표면처리는, 검출하고자 하는 시료에 따라 달라질 수 있다. 일례로, 기판의 몸체(11)가 실리콘(Si)과 같은 소수성(hydrophobic) 물질로 형성되는 경우, 마이크로 렌즈(12)는 친수성(hydrophilic) 특성을 갖도록 산화 등의 방법으로 표면처리될 수 있다. 이러한 표면처리의 구체적 예는 본 실시예를 한정하지 않는다. 시료에 따라서는 이온 교환용 표면(ion exchange surface) 또는 금속결합 표면(immobilized metal surface)이나 그밖에 다양한 표면처리 방법이 적용될 수도 있다.

마이크로 렌즈(12)는 시료에서 방출하는 형광을 집광시키는 굴절력을 갖는다. 마이크로 렌즈(12)의 굴절력은 후술하는 바와 같이 광검출기에 형광이 집광될 수 있도록 설계된다.

본 실시예의 시료 검출용 기판(10)은 시료가 부착되는 반응 영역이 곡면형상을 가지므로, 평평한 경우에 비하여 반응 영역의 넓이가 더 넓다. 따라서 동일 단면적에 대하여 더 많은 시료가 부착될 수 있어, 검출하고자 하는 시료에서 방출하는 형광의 세기가 증대될 수 있다.

도 3은 도 1의 시료 검출용 기판을 채용한 바이오칩의 일 실시예를 보여준다.

도 3을 참조하면, 바이오칩은 시료 검출용 기판(10)과, 상기 시료 검출용 기판(10) 위에 부착된 프로브 바이오 물질(16)을 포함한다.

프로브 바이오 물질(16)은 검출하고자 하는 타겟 바이오 물질과 상호작용할 수 있는 것이다. 타겟 바이오 물질은 생물의 효소, 단백질, 항체, 핵산, 미생물, 동식물 세포 및 기관, 신경 세포 등과 같은 생체 유기물이 될 수 있다. 한편, 프로브 바이오 물질(16)은 핵산의 혼성화 반응이나 항원-항체 반응과 같이 타겟 바이오 물질과 상호 작용할 수 있는 분자들로서, 예를 들어 검출하고자하는 핵산 분자에 대해 상보적 염기 서열을 갖는 핵산 분자를 들 수 있다.

한편, 타겟 바이오 물질을 검출하기 위하여 본 실시예의 바이오칩은 형광 검출 방법을 이용한다. 이에, 프로브 바이오 물질(16)이나 타겟 바이오 물질에 형광물질을 표지한다. 표지된 형광물질은 그 자체로 여기광에 의해 형광을 방출하거나, 프로브 바이오 물질(16)과 타겟 바이오 물질의 상호작용으로 활성화되어 여기광에 의해 형광을 발할 수 있다.

시료 검출용 기판(10)의 프로브 바이오 물질(16)이 부착되는 면은 전술한 바와 같이 표면처리되어, 프로브 바이오 물질(16)은 마이크로 렌즈(12)에만 부착된다. 복수의 마이크로 렌즈(12)은 2차원 배열을 가진다. 하나의 마이크로 렌즈(12)에는 동종의 프로브 바이오 물질(16)이 부착될 수 있으며, 서로 다른 마이크로 렌즈(12)에는 이종의 프로브 바이오 물질(16)이 부착될 수 있다. 동종의 프로브 바이오 물질(16)이 복수의 마이크로 렌즈(12)에 동시에 부착될 수도 있다. 이러한 프로브 바이오 물질(16)은 반도체 공정등을 통해 정해진 위치의 마이크로 렌즈(12)에 부착된다.

프로브 바이오 물질(16)이 부착되는 마이크로 렌즈(12)의 표면적은 마이크로 렌즈(12)의 단면적에 비해 넓으므로, 마이크로 렌즈가 없는 기판에 프로브 바이오 물질(16)이 부착된 경우에 비해 본 실시예의 바이오칩에는 더 많은 프로브 바이오 물질(16)이 부착될 수 있다. 즉, 동일 단면적에 대해 더 많은 프로브 바이오 물질(16)을 부착하여, 바이오 물질의 부착 효율을 증대시킬 수 있다. 부착되는 프로브 바이오 물질(16)의 개수가 많을수록, 이에 상호작용할 수 있는 타겟 바이오 물질의 개수 또한 증가될 수 있으며, 이에 따라 방출되는 형광의 양도 증가되어, 타겟 바이오 물질의 검출 효율을 향상시킬 수 있다.

가령, DNA칩의 경우, 프로브 바이오 물질(16)로서 다종의 프로브 핵산이 단일 나선 형태로 복수의 마이크로 렌즈(12)의 정해진 위치에 부착된다. 이들 프로브 핵산 중에는 검출하고자 하는 타겟 핵산(가령, mRNA)의 염기서열에 대해 상보적인 염기서열을 갖는 핵산을 포함한다. 이러한 DNA칩의 표면에 타겟 핵산이 포함된 액체를 흘려주게 되면, 타겟 핵산의 염기서열에 대해 상보적인 염기서열을 갖는 프로브 핵산이 타겟 핵산과 혼합화 반응을 하여 결합되며, DNA칩의 프로브 핵산들과 결합되는 않은 핵산들은 씻겨 나가게 된다. 혼합화 반응을 하게 된 핵산은 표지된 형광물질에 의하여 형광을 방출하게 되므로, 형광이 방출되는 위치를 검출하므로써 검출하고자 하는 타겟 핵산의 유무를 판단하게 된다. 프로브 핵산들의 위치는 미리 결정되어 있으므로, 검출되는 2차원 형광 이미지를 통하여 동시에 복수의 타겟 핵산들의 존재 유무를 판단할 수 있다.

시료 검출용 기판(10)의 프로브 바이오_콘텐츠(16)가 부착된 면의 이면 쪽에는 광검출기(19)가 배치된다. 광검출기(19)는 PMT(Photomultiplier tube), CCD(Charge Coupled Device), CIS(CMOS Image Sensor)와 같은 이미지 센서 자체가 되거나 또는 이러한 이미지 센서를 이용한 스캐너일 수 있다.

상기 광검출기(19)는 복수의 마이크로 렌즈(12)와 일대일 또는 일대다로 대응되는 화소(19a)를 구비할 수 있다. 즉, 광검출기(19)의 하나 또는 복수의 화소(19a)는 마이크로 렌즈(12) 하나와 대응되도록 배치된다. 마이크로 렌즈(12)는 자기 자신의 표면에 부착된 바이오 물질에서 방출하는 형광을 집광하게 되므로, 이웃하는 곳에서 방출되는 형광에 의한 노이즈를 억제할 수 있다.

형광은 여기광에 의해 발생되는데, 광검출기(19)에는 형광과 여기광이 모두 입사될 수 있으므로, 여기광과 형광을 분리시킬 필요가 있다. 가령, 시료 검출용 기판(10)과 광검출기(19) 사이에는 여기광 흡수 필터(18)가 개재되어 광검출기(19)에 여기광이 유입되는 것을 흡수할 수 있다. 여기광 흡수 필터(410)는 형광만을 투과시키고 여기광은 흡수하기 위한 것으로, 형광의 파장대만을 통과하는 파장 선택성 필터를 채용할 수 있다.

상기 바이오칩은 여기광 흡수 필터(18) 및 광검출기(19)와 탈착가능하게 부착되거나 일체로 결합될 수도 있다. 이와 같이 바이오칩에 여기광 흡수 필터(18) 및 광검출기(19)를 탈착가능하게 부착 또는 일체로 결합하게 되면, 바이오칩에 여기광을 조명하여 형광이미지로부터 바이오 물질을 검출하는 바이오 물질 검출장치의 구성을 소형화할 수 있다.

도 4는 프로브 바이오 물질과 타겟 바이오 물질이 상호작용하여 형광을 방출하는 경우를 도시한다. 도 4에서 16´은 프로브 바이오 물질과 타겟 바이오 물질이 결합된 바이오 물질을 나타낸다. 바이오 물질(16´)에 부착된 형광 물질(16a)에서 방출하는 형광(L1)은 무지향적으로 방출된다. 이때, 시료 검출용 기판(10) 쪽으로 향하는 형광(L1)은 마이크로 렌즈(12)에 의해 집광되어 시료 검출용 기판(10)의 후면을 향한다. 마이크로 렌즈(12)에 의해 집광되는 형광(L1)은 소정 위치(D1)에서 그 광속의 단면적이 최소가 되고, 그 위치를 벗어나면 광속의 단면적이 점차 커지게 된다. 레일리 길이(Rayleigh length)란 광속이 집광되어 그 단면적이 최소가 되는 지점으로부터 그 단면적이 두 배가 되는 지점까지의 거리를 의미한다. 따라서, 광검출기(19)는 집광되는 형광(L1)의 단면적이 최소가 되는 지점(D1)으로부터 대략 레일리 길이 근처 내에 배치되어 형광 검출 효율을 높일 수 있다. 이때, 광검출기(19)의 각 화소(19a)는 마이크로 렌즈(12)에 의해 집광되는 형광(L1)에 일대일 또는 일대다 대응되도록 배치될 수 있다. 형광(L1)이 집광되어 그 광속의 단면적이 최소가 되는 지점(D1)은 마이크로 렌즈(12)의 굴절력에 따라 달라지며, 마이크로 렌즈(12)의 굴절력은 마이크로 렌즈(12)의 높이(H)와 폭(W)을 이용하여 조절할 수 있다. 가령, 광검출기(19)가 바이오칩에 부착되는 경우, 형광이 집광되는 지점이 바이오칩의 배면 근처가 되도록 마이크로 렌즈(12)의 굴절력을 조절한다.

도 5와 도 6은 도 1의 시료 검출용 기판에 마련된 마이크로 렌즈의 변형례들을 도시한다.

전술한 실시예에서 마이크로 렌즈(12)는 볼록한 반구형 형상을 가진 경우를 예로 들어 설명하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 가령 도 5에 도시되듯이 시료 검출용 기판(10-1)은 반구형상의 곡면이 원통 끝단에 형성된 플랫-반구형을 가진 마이크로 렌즈(12-1)를 가질 수도 있다.

도 6은 오목한 반구형 형상을 가지는 마이크로 렌즈를 가진 시료 검출용 기 판(10-2)을 도시한다. 전술한 실시예에서는 기판(도 1의 10)의 굴절률이 그 외부의 굴절률보다 큰 경우를 전제하여 설명하고 있다. 그러나, 타겟 바이오 물질과 같은 시료는 액체에 분산된 상태로 시료 검출용 기판의 표면을 흐르게 되는데, 시료가 분산된 액체의 굴절률이 시료 검출용 기판 기판의 굴절률보다 클 수도 있다. 본 변형예의 시료 검출용 기판(10-2)은 기판의 몸체(11)의 표면에 오목한 반구형 형상을 가지는 복수의 마이크로 렌즈(12-2)가 마련된 것이다. 만일, 시료가 분산된 액체의 굴절률이 기판의 몸체(11)의 굴절률보다 상대적으로 높다면, 오목형상의 마이크로 렌즈(12-2)에 의하여 형광을 집광될 수 있다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 시료 검출용 기판의 개략적인 측단면도이다.

도 7을 참조하면, 본 실시예의 시료 검출용 기판(20)은 기판의 몸체(21)에 복수의 마이크로 렌즈(22)가 배열된 구조를 갖는다. 본 실시예는 기판의 몸체(21)와 마이크로 렌즈(22)를 서로 다른 재료로 형성한다는 점을 제외하고는 전술한 실시예와 실질적으로 동일하므로, 반복되는 설명은 생략하기로 한다.

기판의 몸체(21)는 유리, 반도체, 유전체 물질 또는 폴리머로 형성될 수 있으며, 마이크로 렌즈(22)는 무기질 물질, 유기질 물질, 폴리머는 유전체 물질로 형성될 수 있다. 이러한 마이크로 렌즈(22)의 재료는 후술하는 바와 같이 제조 공정을 고려하여 선정될 수 있다. 본 실시예의 시료 검출용 기판(20)는 투과형 기판이므로, 기판의 몸체(21) 및 마이크로 렌즈(22)는 형광의 파장대에 대해 투명한 물질로 형성된다.

마이크로 렌즈(22)의 표면은 시료가 부착되는 반응 영역이며, 마이크로 렌즈(22)이 마련된 영역의 외곽(23)은 시료가 부착되지 않는 비반응 영역이다. 시료가 마이크로 렌즈(22)의 표면에만 잘 부착될 수 있도록, 기판의 몸체(21)는 시료나 시료가 분산된 액체에 대해 친화적이지 않는 재료로 형성하고, 마이크로 렌즈(22)는 시료나 시료가 분산된 액체에 대해 친화적인 재료로 형성한다. 예를 들어, 기판의 몸체(21)는 실리콘(Si)과 같은 소수성 물질로 형성하고, 마이크로 렌즈(22)는 친수성을 갖는 폴리머로 형성할 수 있다.

도 8은 반사방지막이 추가적으로 마련된 변형례를 도시한다. 도 8을 참조하면, 본 변형례의 시료 검출용 기판(20-1)은 마이크로 렌즈(22)의 표면에 마련된 반사방지막(24)을 포함한다. 상기 반사방지막(24)은 시료에서 방출하는 형광이 마이크로 렌즈(22)와 기판의 몸체(21)를 경유하면서 발생되는 반사로 인한 손실을 최소화한다. 반사방지막(24)은 시료 내지 시료가 분산된 액체에 대해 친화적인 재료로 형성되어, 상기 마이크로 렌즈(22)의 표면처리를 대신할 수도 있다. 마이크로 렌즈(22)와 기판의 몸체(21) 사이의 경계면에도 추가적인 반사방지막(미도시)가 마련될 수 있을 것이다.

도 9은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 시료 검출용 기판의 개략적인 측단면도이며, 도 10은 도 9의 시료 검출용 기판을 채용한 바이오칩과 광검출기의 일례를 도시한다.

도 9을 참조하면, 본 실시예의 시료 검출용 기판(30)은, 기판의 몸체(31)에 시료에서 방출하는 형광을 집광시키는 굴절력을 갖는 마이크로 렌즈(32)가 배열된 구조를 갖는다. 본 실시예의 시료 검출용 기판(30)은 전술한 실시예들과 달리 반사형 기판이다.

기판의 몸체(31)는 유리, 반도체, 금속, 유전체 물질 또는 폴리머로 형성될 수 있으며, 마이크로 렌즈(32)는 무기질 물질, 유기질 물질, 폴리머는 유전체 물질로 형성될 수 있다. 마이크로 렌즈(32)의 표면은 시료가 부착되는 반응 영역이며, 마이크로 렌즈(32)이 마련된 영역의 외곽(33)은 시료가 부착되지 않는 비반응 영역이다. 시료가 마이크로 렌즈(32)의 표면에만 잘 부착될 수 있도록, 기판의 몸체(31)는 시료나 시료가 분산된 액체에 대해 친화적이지 않는 재료로 형성하고, 마이크로 렌즈(32)는 시료나 시료가 분산된 액체에 대해 친화적인 재료로 형성한다. 예를 들어, 기판의 몸체(31)는 실리콘(Si)과 같은 소수성 물질로 형성하고, 마이크로 렌즈(32)는 친수성을 갖는 폴리머로 형성할 수 있다.

마이크로 렌즈(32)를 이루는 물질과 기판의 몸체(31)를 이루는 물질의 굴절률 차이에 의하여, 마이크로 렌즈(32)에 입사된 형광의 일부가 마이크로 렌즈(32)와 기판의 몸체(31) 사이의 경계면에서 반사될 수 있다. 마이크로 렌즈(32)는, 이와 같이 마이크로 렌즈(32)와 기판의 몸체(31) 사이의 경계면에서 반사되는 형광을 집광하도록 설계된다.

도 10을 참조하면, 바이오 물질(36)에 부착된 형광물질(36a)에서 방출하는 형광(L2)은 무지향적이다. 방출되는 형광(L2) 중 일부는 처음부터 상방으로 방출되거나, 하방으로 방출되었다가 마이크로 렌즈(32)의 표면에서 반사되거나 마이크로 렌즈(32)와 기판의 몸체(31) 사이의 경계면에서 반사되어 상방을 향하게 된다. 광 검출기(39)는 시료 검출용 기판(30) 중에서 바이오 물질과 같은 시료(36)가 부착된 면 쪽에 배치되어 상방을 향하는 형광(L2)을 검출한다.

본 실시예의 마이크로 렌즈(32)는 마이크로 렌즈(32)와 기판의 몸체(31) 사이의 경계면에서 반사되는 형광(L2)을 집광하도록 설계되어 있다. 이러한 집광되는 형광(L2)은 소정 위치(D2)에서 그 광속의 단면이 최소가 되고, 그 위치를 벗어나면 광속의 단면이 점차 커지게 된다. 따라서, 광검출기(39)는 이미지센서 내지 스캐너의 화상이 맺히는 지점이 기판의 몸체(31) 사이의 경계면에서 반사되는 형광(L2)의 단면이 최소가 되는 지점(D2)으로부터 대략 레일리 길이(D2) 근처내에 있도록 배치되어, 형광 검출 효율을 높일 수 있다. 이때, 광검출기(39)의 각 화소(39a)는 마이크로 렌즈(32)에 의해 집광되는 형광(L2)에 일대일 또는 일대다 대응되도록 배치될 수 있다.

도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 시료 검출용 기판의 개략적인 측단면도이다.

본 실시예의 시료 검출용 기판(30-1)은 기판의 몸체(31), 마이크로 렌즈(32), 반사방지막(34), 및 반사막(35)을 포함한다. 본 실시예의 시료 검출용 기판(30-1)은 도 9를 참조하여 전술한 시료 검출용 기판(30)에 대하여 반사방지막(34)과 반사막(35)을 추가적으로 구비한다는 점을 제외하고는 실질적으로 동일하다.

상기 반사방지막(34)은, 마이크로 렌즈(32)의 표면에 마련되어, 형광이 마이크로 렌즈(32)의 표면에서 반사되는 것을 억제하며, 상기 반사막(35)은, 기판의 몸 체(31)와 마이크로 렌즈(32) 사이의 경계면에 마련되어, 형광이 기판의 몸체(31)와 마이크로 렌즈(32) 사이의 경계면에서 반사되는 것을 억제한다. 반사막(35)은 시료 내지 시료가 분산된 액체에 대해 친화적인 재료로 형성되어, 상기 마이크로 렌즈(22)의 표면처리를 대신할 수도 있다. 예를 들어, 기판의 몸체(31)는 실리콘(Si)과 같은 소수성 물질로 형성하고, 반사막(35)은 친수성을 갖는 금속으로 형성할 수 있다.

도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 시료 검출용 기판의 개략적인 측단면도이다.

도 12를 참조하면, 본 실시예의 시료 검출용 기판(40)은 기판의 몸체(41)와, 상기 기판의 몸체(41)에 오목한 반구면 형상으로 형성된 마이크로 미러(42)와, 상기 마이크로 미러(42)에 마련된 반사막(45)을 포함한다.

상기 기판의 몸체(41)는 시료나 시료가 분산된 액체에 대해 친화적이지 않는 재료로 형성하고, 상기 반사막(45)은 시료나 시료가 분산된 액체에 대해 친화적인 재료로 형성한다. 예를 들어, 기판의 몸체(31)는 실리콘(Si)과 같은 소수성 물질로 형성하고, 반사막(45)은 친수성을 갖는 금속으로 형성할 수 있다.

다음으로, 본 발명의 실시예들에 따른 시료 검출용 기판의 제조방법에 대해 설명하기로 한다.

도 13a 내지 도 13d는 본 발명의 일 실시예에 따른 시료 검출용 기판의 제조공정을 도시한다. 본 실시예의 제조방법은, 포토레지스트와 같은 폴리머 자체를 마이크로 렌즈로 사용한 경우이다.

먼저 도 13a에 도시되는 바와 같은 기판(100)을 준비한다. 기판(100)은 유리, 반도체, 금속, 유전체 물질 또는 폴리머로 형성될 수 있다. 기판(100)의 재료로 시료나 시료가 분산된 액체에 대해 친화적이지 않는 재료를 선택할 수 있다. 예를 들어, 기판(100)은 소수성을 가지는 실리콘 기판이나 유리 기판일 수 있다. 기판(100)의 일 표면(100a)은 평탄층을 형성하거나 CMP(Chemical Mechanical Polishing)와 같은 공정을 통해 평탄화시킬 수 있다.

다음으로, 도 13b에 도시되는 바와 같이 기판(100) 위에 포토레지스트(110)를 도포한다. 포토레지스트(110)는 바이오 물질과 같은 시료에서 방출하는 형광의 파장대에 투명한 재료로 선택한다.

다음으로, 도 13c에 도시되는 바와 같이 식각 공정을 통하여 포토레지스트(111)에 복수의 마이크로 렌즈가 배열된 패턴을 형성한다. 이때, 패턴된 포토레지스트(111)는 주상의 형상을 지니게 된다.

다음으로, 도 13d에 도시되는 바와 같이 리플로우(reflow) 공정을 통해 주상의 형상을 갖는 패턴된 포토레지스트(도 13c의 111)를 라운드 형상의 포토레지스트(112)로 변형시킨다. 상기 리플로우 공정은, 상기 패턴된 포토레지스트(111)에 유리 전이 온도(glass transition temperature : Tg) 이상의 온도, 예컨대 120∼200℃ 정도의 열을 가하는 공정으로, 패턴된 포토레지스트(111)를 용융시켜 그 표면이 라운드 형상의 곡면이 되도록 한다. 이때, 패턴된 포토레지스트(111)의 두께와 폭 및 리플로우 공정에서의 가열 온도와 시간을 조절함으로써, 라운드 형상의 포토레지스트(112)의 곡면 곡률을 조절할 수 있다. 본 실시예는, 이와 같이 리플로 우 공정을 통해 변형된 라운드 형상의 포토레지스트(112) 자체가 곧 바로 마이크로 렌즈 구조체로 사용한다.

다음으로, 라운드 형상의 포토레지스트(112) 위에 반사방지층(도 8의 24 참조)을 도포하는 공정이 후속될 수 있다.

본 실시예의 시료 검출용 기판의 제조방법은 기판과 포토레지스트의 친수성, 소수성을 적절히 선택함으로써, 마이크로 렌즈를 형성하는 영역과 그 외의 영역에 대해 친수성과 소수성을 자유롭게 조절한다. 이와 같이 표면에 대한 친수성 및 소수성을 조절하는 본 실시예의 제조방법은 시료 검출용 기판의 제조방법을 예로 들어 설명하고 있으나, 보다 일반적으로 반도체 공정상에 필요적 적용될 수도 있을 것이다.

도 14a 내지 도 14e는 본 발명의 다른 실시예에 따른 시료 검출용 기판의 제조공정을 도시한다.

먼저 도 14a에 도시되는 바와 같은 기판(200)을 준비한다. 기판(200)은 유리, 반도체, 유전체 물질, 금속 또는 폴리머로 형성될 수 있다. 또한, 기판(200)의 재료로 시료나 시료가 분산된 액체에 대해 친화적이지 않는 재료를 선택할 수 있다. 예를 들어, 기판(200)은 소수성을 가지는 실리콘 기판일 수 있다.

다음으로, 도 14b 및 14c에 도시되는 바와 같이 기판(200) 위에 포토레지스트(210)를 도포하고, 식각 공정을 통하여 포토레지스트(211)에 복수의 마이크로 렌즈가 배열된 패턴을 형성한다. 이때, 패턴된 포토레지스트(211)는 주상의 형상을 지니게 된다.

다음으로, 도 14d에 도시되는 바와 같이 리플로우(reflow) 공정을 통해 주상의 형상을 갖는 패턴된 포토레지스트(도 14c의 211)를 라운드 형상의 포토레지스트(212)로 변형시킨다. 전술한 바와 같이 패턴된 포토레지스트(211)의 두께와 폭 및 리플로우 공정에서의 가열 온도와 시간을 조절함으로써, 라운드 형상의 포토레지스트(212)의 곡면 곡률을 조절할 수 있다.

다음으로, 도 14e에 도시되는 바와 같이 같이 에치-백(etch-back) 공정을 통해 기판(200)의 라운드 형상의 포토레지스트(도 14d의 212)가 형성된 면 전체를 균일하게 식각한다. 이때, 라운드 형상의 포토레지스트(212)가 놓이지 않은 영역(203)의 기판면은 균일하게 식각되나, 라운드 형상의 포토레지스트(212)가 놓인 기판면은 포토레지스트(212)의 두께에 따라 식각되는 정도가 달라져, 라운드 형상의 포토레지스트(212)에 대응되는 라운드 형상의 마이크로 렌즈(202)를 형성하게 된다. 즉, 본 실시예는 기판 자체를 식각하여 마이크로 렌즈(202)를 형성하게 된다. 예를 들어, Si, GaAs, InP과 같은 반도체 기판을 사용하는 경우, 마이크로 렌즈(202)는 반도체 렌즈가 될 것이다.

다음으로, 마이크로 렌즈(202)의 표면을 시료나 시료가 분산된 액체에 대해 친화성을 갖도록 표면처리하거나, 시료나 시료가 분산된 액체에 대해 친화성이 좋은 반사방지제로 코팅한다. 예를 들어, 실리콘 기판을 이용하는 경우, 마이크로 렌즈(200)를 이루는 영역을 산화시켜 친수성을 갖게 할 수 있다.

도 15a 내지 도 15e는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 시료 검출용 기판의 제조공정을 도시한다.

먼저 도 15a에 도시되는 바와 같은 기판(300)을 준비한다. 기판(300)의 재료로 시료나 시료가 분산된 액체에 대해 친화적이지 않는 재료를 선택할 수 있다.

다음으로, 도 15b에 도시되는 바와 같이, 기판(300) 위에 산화물(oxide) 같은 유전체 물질(310)과 포토-레지스트(320)를 순차적으로 도포한다. 이때, 유전체 물질(310)은 최종적으로 마이크로 렌즈를 이루게 되므로, 유전체 물질(310)로 시료나 시료가 분산된 액체에 대해 친화성이 있는 재료를 선택할 수 있다.

다음으로, 도 15c에 도시되는 바와 같이 식각 공정을 통하여 포토레지스트(321)에 복수의 마이크로 렌즈가 배열된 패턴을 형성한다. 이때, 패턴된 포토레지스트(321)는 주상의 형상을 지니게 된다.

다음으로, 도 15d에 도시되는 바와 같이 리플로우(reflow) 공정을 통해 주상의 형상을 갖는 패턴된 포토레지스트(도 15c의 321)를 라운드 형상의 포토레지스트(322)로 변형시킨다. 전술한 바와 같이 패턴된 포토레지스트(323)의 두께와 폭 및 리플로우 공정에서의 가열 온도와 시간을 조절함으로써, 라운드 형상의 포토레지스트(322)의 곡면 곡률을 조절할 수 있다.

다음으로, 도 15e에 도시되는 바와 같이 같이 에치-백(etch-back) 공정을 통해 기판(300)의 라운드 형상의 포토레지스트(도 15d의 322)가 형성된 면 전체를 식각한다. 이때, 라운드 형상의 포토레지스트(322)가 놓이지 않은 영역의 유전체 물질(310)은 균일하게 식각되나, 라운드 형상의 포토레지스트(322)가 놓인 영역의 유전체 물질(310)은 식각되는 정도가 달라져, 라운드 형상의 포토레지스트(322)에 대응되는 라운드 형상의 마이크로 렌즈(311)을 형성하게 된다. 즉, 본 실시예의 마이 크로 렌즈(311)는 유전체 물질로 이루어진 유전체 렌즈이다.

다음으로, 라운드 형상의 마이크로 렌즈(311) 위에 반사방지층(도 8의 24 참조)을 도포하는 공정이 후속될 수 있다.

본 실시예의 시료 검출용 기판의 제조방법은 기판과 유전체 물질의 친수성, 소수성을 적절히 선택함으로써, 마이크로 렌즈를 형성하는 영역과 그 외의 영역에 대해 친수성과 소수성을 자유롭게 조절한다.

한편, 전술한 실시예들에 의해 제조된 시료 검출용 기판 상에 바이오 물질을 부착시켜 바이오칩을 제작할 수 있다. 가령, A(아데닌), G(구아닌), C(시토신), T(티민)와 같은 DNA 염기들을, 포토-리소그래피 공정을 이용하여 마이크로 렌즈별로 서로 다른 순서로 적층함으로써, 소정의 염기 서열을 갖는 프로브 DNA가 부착된 DNA칩을 제조할 수 있다.

도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 물질 검출 장치의 개략적인 구성을 도시하고 있다.

도 16을 참조하면, 본 실시예의 투과형 바이오 물질 검출 장치(400)는, 바이오칩(450)에 여기광을 조사하는 조명광학계인 광원(401), 광확산 소자(402), 콜리메이팅 렌즈(404) 및 집광 렌즈(407)를 포함한다. 나아가, 바이오 물질 검출 장치(400)는 조명된 여기광에 의해 바이오칩(450)에서 방출하는 형광을 검출하기 위한 검출 광학계인 여기광 흡수 필터(410), 광검출기(418) 및 스테이지(420)를 포함한다.

본 실시예의 바이오 물질 검출 장치(400)에 사용되는 바이오칩(450)은, 투과 형 바이오칩으로 도 1 내지 도 8을 참조하여 설명한 실시예의 시료 검출용 기판을 채용할 수 있다.

상기 광원(401)은 여기광(excitation light)(L)을 방출한다. 여기광(L)은 바이오칩(450) 내의 바이오 물질에 부착되어 있는 형광 물질을 여기시키기 위한 광이다. 통상적으로 여기광으로서 대략 500nm의 파장을 갖는 광을 사용하나, 표지되는 형광 물질에 따라, 여기광(L)의 파장은 달라질 수 있다.

광확산 소자(402)는 여기광(L)을 고르게 확산시켜 그 전체 단면을 통해 균일한 세기를 갖도록 하는 것으로, 예를 들어 막대형의 광 인터그레이터가 될 수 있다. 여기광(L)이 전체적으로 균일한 세기를 갖는 것은 바이오칩(450)의 일부 영역 또는 전체 영역에 걸쳐 동일한 세기의 광을 조명하기 위한 것이다.

콜리메이팅 렌즈(404)는 여기광(L)을 평행하게 정형하는 것이다. 도 16은 광학산 소자(402)와 집광 렌즈(407) 사이에 배치되는 것으로 도시되어 있으나, 콜리메이팅 렌즈(402)는 광원(401)과 광확산 소자(402) 사이에 배치될 수도 있다. 나아가, 광원(401)에서 방출된 여기광(L)의 발산(divergence)이 크지 않고, 집광 렌즈(407)로 여기광(L)을 충분히 집광시킬 수 있는 경우에는 콜리메이팅 렌즈(404)를 사용하지 않을 수도 있다.

집광 렌즈(407)는 여기광을 집광함으로써 소정의 직경을 갖는 광 스팟(light spot)을 바이오칩(450) 상에 제공한다. 광 스팟의 직경은 바이오칩(450)의 일부 영역 또는 전체 영역을 조명할 수 있는 정도의 크기를 가질 수 있다.

여기광 흡수 필터(410) 및 광검출기(418)는 바이오칩(450)의 배면쪽에 배치 된다. 본 실시예에서, 광검출기(418)에서 검출하고자 하는 광은 오직 형광뿐이며, 여기광의 세기는 형광의 세기에 비해 훨씬 크기 때문에 여기광에 의해 정확한 측정이 방해될 수 있다. 여기광 흡수 필터(410)는 형광만을 투과시키고 여기광은 흡수하여, 광검출기(418)에 발생되는 노이즈를 억제하기 위한 것이다. 일반적으로 형광의 파장은 여기광의 파장보다 길므로, 여기광 흡수 필터(410)로 형광의 파장대만을 통과하는 파장 선택성 필터를 채용할 수 있다.

광검출기(418)는 바이오칩(450)에서 방출하는 형광을 검출하는 것으로, 예를 들어 PMT, CCD, CIS 등을 이용한 이미지센서나 스캐너 등이 채용될 수 있다.

본 실시예는 스테이지(420)에 여기광 흡수 필터(410) 및 광검출기(418)가 일체로 설치되어 있고, 그 위에 바이오칩(450)이 탈착가능하게 부착될 수 있는 구조를 가진다. 이때 광검출기(418)는, 전술한 바와 같이 바이오칩(450)의 마이크로 렌즈의 굴절률에 의하여 형광이 최소폭으로 집광되는 위치 내지 그 위치를 중심으로 레일리 길이의 근처 내에 배치될 수 있다. 이러한 구조를 가지는 경우, 상기 광검출기(19)는 복수의 마이크로 렌즈(12)와 일대일 또는 일대다로 대응되는 화소(19a)를 구비하여, 바이오 물질에서 방출하는 형광을 일대일 또는 일대다로 검출할 수 있다.

여기광의 스폿이 바이오칩(450)의 전면을 커버하는 경우, 광검출기(418)는 바이오칩(450)에서 방출하는 형광의 이미지를 한꺼번에 검출할 수 있다. 만일 여기광의 스폿이 바이오칩(450)의 일부만을 커버하는 경우, 스테이지(420) 또는 조명광학계는 이동을 하여 조명되는 여기광이 바이오칩(450)의 전면을 시순차적으로 커버 할 수 있도록 하며, 광검출기(418)는 바이오칩(450)에서 시순차적으로 방출하는 형광의 이미지를 종합하여 바이오칩(450) 전역에 대한 형광 이미지를 얻게 된다.

상기 바이오칩(450)은 여기광 흡수 필터(410) 및 광검출기(418)와 일체로 결합되어 있을 수 있다. 이 경우, 검출 광학계의 여기광 흡수 필터(410) 및 광검출기(418)는 바이오 물질 검출 장치에서 생략될 수도 있다. 이와 같이 검출 광학계의 구성을 간략하게 함으로써, 바이오 물질 검출 장치를 소형화할 수 있게 된다.

나아가, 도 16은 광검출기(418)가 바이오칩(450)의 배면에 인접하게 배치된 경우를 도시하고 있으나, 본 실시예는 이에 한정되지 않는다. 바이오칩(450)의 마이크로 렌즈의 굴절력에 따라서는 집광되는 형광의 단면적이 최소가 되는 지점이 상당히 떨어져 있을 수도 있다. 이와 같은 경우, 바이오칩(450)의 배면에 인접하게 배치되는 광검출기(418)를 대신하여, 형광 이미지를 스캐닝할 수 있는 별도의 스캐닝 광학계와 PMT, CCD, CIS와 같은 이미지 센서를 구비한 스캐너 타입의 광검출기가 사용될 수 있다.

도 17은 본 발명의 다른 실시예에 따른 바이오 물질 검출 장치의 개략적인 구성도이다.

도 17을 참조하면, 본 실시예의 반사형 바이오 물질 검출 장치(500)는, 반사형 바이오칩(550)에 여기광을 조사하는 조명광학계인 광원(501), 광확산 소자(502), 콜리메이팅 렌즈(504) 및 집광 렌즈(507)를 포함한다. 나아가, 바이오 물질 검출 장치(500)는 조명된 여기광에 의해 바이오칩(550)에서 방출하는 형광(L´)을 검출하기 위한 검출 광학계인 여기광 흡수 필터(510), 투영 광학계(515), 광검 출기(518)을 포함한다. 참조번호 505는 바이오칩(500)에 조명되는 여기광(L)과 바이오칩(500)에서 방출하는 형광(L´)을 분리하기 위한 빔스플리터이고, 참조번호 513은 광경로를 적절하게 접어주는 미러이며, 참조번호 520은 바이오칩(500)이 장착될 수 있는 스테이지이다.

조명광학계인 광원(501), 광확산 소자(502), 콜리메이팅 렌즈(504) 및 집광 렌즈(507)와, 검출광학계의 여기광 흡수 필터(510) 및 광검출기(518)는 도 16을 참조하여 전술한 바이오 물질 검출 장치(400)의 조명광학계의 대응되는 구성요소 및 검출광학계의 대응되는 구성요소와 실질적으로 동일하므로, 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.

상기 빔스플리터(505)는, 광원(501)에서 바이오칩(550)으로 조명되는 여기광(L)은 투과시키고, 바이오칩(550)에서 방출하는 형광은 반사시키는 광학부재이다. 형광(L´)의 파장은 여기광(L)의 파장보다 짧으므로, 빔스플리터(505)로 다이크로익 미러(dichroic mirror)가 채용될 수 있다. 경우에 따라서는, 바이오칩(550)에서 방출하는 형광(L´)의 파장대의 광은 투과시키고 나머지 파장대의 광을 반사하도록 빔스플리터(505)를 구성할 수도 있으며, 이 경우 조명광학계와 검출광학계의 배치가 바뀌게 될 것이다. 다이크로익 미러는 빔스플리터(505)의 일례이고, 본 실시예는 이에 제한되지 않는다. 가령, 빔스플리터(505)는 편광을 이용하여, 여기광(L)과 형광(L´)을 분리할 수도 있다. 이 경우, 광원(501)에서 방출되는 여기광(L)이 소정의 편광만을 갖도록 하고, 빔스플리터(505)는 상기 여기광(L)의 편광에 대해서는 투명하도록 한다. 바이오칩(550)에서 방출하는 형광(L´)은 무편광이 므로, 빔스플리터(505)에서 일부 편광성분이 반사되게 될 것이다.

투영광학계(515)는 바이오칩(550)에서 방출하는 형광을 광검출기(518)로 투영하기 위한 광학계로서, 형광이 광검출기(518)에 정확한 스폿을 맺도록 조절된다.

여기광의 스폿이 바이오칩(550)의 전면을 커버하는 경우, 광검출기(518)는 바이오칩(550)에서 방출하는 형광의 이미지를 한꺼번에 검출할 수 있다. 만일 여기광의 스폿이 바이오칩(550)의 일부만을 커버하는 경우, 스테이지(520)는 바이오칩(550)의 위치를 이동시켜 조명되는 여기광이 바이오칩(450)의 전면을 시순차적으로 커버할 수 있도록 하여, 바이오칩(450) 전역에 대한 형광 이미지를 시순차적으로 얻게 한다.

전술한 실시예들에서 조명광학계나 투영광학계로서 렌즈로 구성된 굴절광학계인 경우를 예로 들어 설명하고 있으나 이에 한정되지 않는다. 가령, 전술한 실시예들에서의 광학계는 오목 또는 볼록 미러의 반사형 광학계로 대치 가능하다.

이러한 본 발명인 시료 검출용 기판, 이를 채용한 바이오칩, 시료 검출용 기판의 제조방법 및 바이오 물질 검출장치는 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 시료 검출용 기판의 개략적인 사시도이다.

도 2는 도 1의 시료 검출용 기판의 I-I에서 본 개략적인 측단면도이다.

도 3은 도 1의 시료 검출용 기판을 채용한 바이오칩의 일 예를 보여준다.

도 4는 도 3의 바이오칩에 부착된 바이오 물질에서 방출하는 형광의 광 경로를 도시한다.

도 8은 도 7의 시료 검출용 기판의 변형례이다.

도 9은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 시료 검출용 기판의 개략적인 측단면도이다.

도 10은 도 9의 시료 검출용 기판을 채용한 바이오칩과 광검출기의 일례를 도시한다.

도 13a 내지 도 13d는 본 발명의 일 실시예에 따른 시료 검출용 기판의 제조공정을 도시한다.

도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 물질 검출 장치의 개략적인 구성도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10, 20, 30, 40...시료 검출용 기판 11, 21, 31, 31...기판의 몸체

12, 22, 32, 42...마이크로 렌즈 16...바이오 물질

18...여기광 흡수 필터 19, 39...광검출기

19a, 39a...화소 24, 34...반사방지막

35, 45...반사막 400, 500...바이오 물질 검출 장치

401, 501...광원 402, 502...광확산 소자

404, 504...콜리메이팅 렌즈 407, 507...집광 렌즈

410, 510...여기광 흡수 필터 515...투영광학계

418, 518...광검출기 420, 520...스테이지

505...광경로분리소자 L1, L2, ...형광

Claims

시료에서 방출하는 형광을 집광시키는 굴절력을 갖는 복수의 마이크로 렌즈가 배열되며, 상기 복수의 마이크로 렌즈의 표면에 시료가 부착되는 시료 검출용 기판.
제1 항에 있어서,

상기 기판의 몸체는 유리, 반도체, 유전체 물질, 금속 또는 폴리머로 형성된 시료 검출용 기판.
제1 항에 있어서,

상기 복수의 마이크로 렌즈는 무기질 물질, 유기질 물질, 폴리머는 유전체 물질 형성된 시료 검출용 기판.
제1 항에 있어서,

상기 복수의 마이크로 렌즈는 시료가 부착될 수 있도록 표면처리된 시료 검출용 기판.
제4 항에 있어서,

상기 복수의 마이크로 렌즈의 표면은 친수성을 가지며, 상기 복수의 마이크로 렌즈가 마련된 영역의 외곽의 기판 표면은 소수성을 가지는 시료 검출용 기판.
제1 항에 있어서,

상기 기판의 몸체는 소수성 물질로 형성되고, 상기 복수의 마이크로 렌즈는 친수성 물질로 형성된 시료 검출용 기판.
제1 항 내지 제6 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 복수의 마이크로 렌즈는 볼록, 오목 또는 플랫-반구형의 형상을 갖는 시료 검출용 기판.
제1 항 내지 제6 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 복수의 마이크로 렌즈의 표면에 마련된 것으로, 시료에서 방출된 형광을 통과시키는 반사방지막을 더 포함하는 시료 검출용 기판.
제8 항에 있어서,

상기 반사방지막이 친수성인 시료 검출용 기판.
제1 항 내지 제6 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 복수의 마이크로 렌즈와 기판의 몸체 사이에 개재된 것으로, 시료에서 방출된 형광을 반사시키는 반사막을 더 포함하는 시료 검출용 기판.
제1 항 내지 제6 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 복수의 마이크로 렌즈의 표면에 마련된 것으로, 시료에서 방출된 형광을 반사시키는 반사막을 더 포함하는 시료 검출용 기판.
타겟 바이오 물질과 상호작용하는 프로브 바이오 물질; 및

상기 프로브 바이오 물질과 타겟 바이오 물질이 상호작용하여 방출하게 되는 형광을 집광시키는 굴절력을 갖는 복수의 마이크로 렌즈가 배열된 기판;을 포함하며, 상기 복수의 마이크로 렌즈의 표면에 상기 프로브 바이오 물질이 부착되는 바이오칩.
제12 항에 있어서,

상기 복수의 마이크로 렌즈는 상기 프로브 바이오 물질이 부착될 수 있도록 표면처리된 바이오칩.
제13 항에 있어서,

상기 복수의 마이크로 렌즈의 표면은 친수성을 가지며, 상기 복수의 마이크로 렌즈가 마련된 영역의 외곽의 기판 표면은 소수성을 갖는 바이오칩.
제12 항에 있어서,

상기 복수의 마이크로 렌즈는 친수성 물질로 형성되고, 상기 기판의 몸체는 소수성 물질로 형성된 바이오칩.
제12 항 내지 제15 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 복수의 마이크로 렌즈의 표면에 마련된 것으로, 상기 형광을 통과시키는 반사방지막을 더 포함하는 바이오칩.
제12 항 내지 제15 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 복수의 마이크로 렌즈와 기판의 몸체 사이에 개재된 것으로, 상기 형광을 반사시키는 반사막을 더 포함하는 바이오칩.
제12 항 내지 제15 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 복수의 마이크로 렌즈의 표면에 마련된 것으로, 상기 형광을 반사시키는 반사막을 더 포함하는 바이오칩.
제12 항 내지 제15 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 기판의 복수의 마이크로 렌즈가 배열된 면의 이면에 마련된 광검출기를 더 포함하며, 상기 복수의 마이크로 렌즈는 상기 형광을 상기 광검출기에 집광시키는 바이오칩.
제19 항에 있어서,

상기 광검출기는 상기 기판과 일체로 결합된 바이오칩.
제19 항에 있어서,

상기 광검출기의 화소는 상기 복수의 마이크로 렌즈와 일대일 또는 일대다로 대응되는 바이오칩.
제19 항에 있어서,

상기 기판과 광검출기 사이에 개재되는 것으로, 상기 형광은 통과시키고 시료를 여기시키는 여기광은 흡수하는 여기광 흡수 필터를 더 포함하는 바이오칩.
기판에 포토레지스트를 도포하고, 도포된 포토레지스트를 패터닝하여 마이크로 렌즈의 패턴을 형성하는 단계; 및

패터닝된 포토레지스트를 이용하여 상기 기판상에 복수의 마이크로 렌즈를 형성하는 단계;를 포함하며,

상기 복수의 마이크로 렌즈의 표면에 시료가 부착될 수 있도록, 상기 복수의 마이크로 렌즈가 형성되는 영역과 상기 복수의 마이크로 렌즈가 형성되지 않은 영역에 서로 다른 물질을 도포하여 친수성과 소수성을 조절하는 시료 검출용 기판의 제조방법.
제23 항에 있어서,

상기 기판은 유리, 반도체, 유전체 물질, 금속 또는 폴리머로 형성된 시료 검출용 기판의 제조방법.
제23 항 또는 제24 항에 있어서,

상기 복수의 마이크로 렌즈를 형성하는 단계는,

상기 패터닝된 포토레지스트를 리플로우하여 상기 패터닝된 포토레지스트를 복수의 마이크로 렌즈로 변형시키는 단계;를 포함하는 시료 검출용 기판의 제조방법.
제25 항에 있어서,

상기 기판은 소수성을 가지며, 상기 포토레지스트는 친수성을 가지는 시료 검출용 기판의 제조방법.
제23 항 또는 제24 항에 있어서,

상기 복수의 마이크로 렌즈를 형성하는 단계는,

상기 패터닝된 포토레지스트를 리플로우하여 상기 패터닝된 포토레지스트를 마이크로 렌즈의 형상으로 변형시키는 단계; 및

상기 마이크로 렌즈 형상으로 변형된 포토레지스트가 마련된 기판 상부면 전체를 식각하여 복수의 마이크로 렌즈를 형성하는 단계;를 포함하는 시료 검출용 기판의 제조방법.
제27 항에 있어서,

상기 복수의 마이크로 렌즈에 시료가 부착될 수 있도록 상기 복수의 마이크로 렌즈의 표면을 표면처리하는 단계를 더 포함하는 시료 검출용 기판의 제조방법.
제28 항에 있어서,

상기 기판은 소수성을 가지며, 상기 복수의 마이크로 렌즈의 표면은 친수성으로 표면처리하는 시료 검출용 기판의 제조방법.
제23 항 또는 제24 항에 있어서,

상기 마이크로 렌즈의 패턴을 형성하는 단계는, 상기 기판에 포토레지스트를 도포하기 전에 유전체 물질층을 형성하는 단계를 더 포함하며,

상기 복수의 마이크로 렌즈를 형성하는 단계는,

상기 패터닝된 포토레지스트를 리플로우하여 상기 패터닝된 포토레지스트를 마이크로 렌즈의 형상으로 변형시키는 단계; 및

상기 마이크로 렌즈 형상으로 변형된 포토레지스트가 마련된 기판 상부면을 식각하여, 상기 유전체 물질층으로 복수의 마이크로 렌즈를 형성하는 단계;를 포함하는 시료 검출용 기판의 제조방법.
제30 항에 있어서,

상기 기판은 소수성을 가지며, 상기 유전체 물질층은 친수성을 가지는 시료 검출용 기판의 제조방법.
타겟 바이오 물질과 상호작용할 수 있는 프로브 바이오 물질과, 상기 프로브 바이오 물질과 타겟 바이오 물질이 상호작용하여 방출하게 되는 형광을 집광하는 복수의 마이크로 렌즈가 배열된 기판을 포함하며,상기 복수의 마이크로 렌즈의 표면에 상기 프로브 바이오 물질이 부착되는 바이오칩; 및

상기 형광이 집광되는 위치에 배치되어, 상기 형광을 검출하는 광검출기;를 포함하는 바이오 물질 검출장치.
제32 항에 있어서,

상기 광검출기는 상기 기판의 복수의 마이크로 렌즈가 배열된 면의 이면 쪽에 마련된 바이오 물질 검출장치.
제32 항에 있어서,

상기 광검출기는 상기 기판의 복수의 마이크로 렌즈가 배열된 면 쪽에 마련된 바이오 물질 검출장치.
제32 항 내지 제34 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 광검출기는 PMT(Photomultiplier tube), CCD(Charge Coupled Device), 또는 CIS(CMOS Image Sensor)를 포함하는 이미지센서나 스캐너인 바이오 물질 검출장치.
제32 항 내지 제34 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 바이오칩과 광검출기 사이에 개재되는 것으로, 상기 형광은 통과시키고 시료를 여기시키는 여기광은 흡수하는 여기광 흡수 필터를 더 포함하는 바이오 물질 검출장치.