결합된 플라즈몬-도파관 공진 구조로 구성된 바이오센서의 구현

호광춘 한국인터넷방송통신학회 2024 한국인터넷방송통신학회 논문지 Vol.24 No.1

The bio-sensing properties of TE and TM guided modes in the coupled plasmon-waveguide resonance (PWR) configuration are investigated. The modal transmission-line theory (MTLT) is used for numerical analysis. The proposed PWR bio-sensor is composed of multi-layered configuration with N pairs of MgF2-Si3N4 layers to enhance the sensitivity of a conventional Ag-based surface plasmon resonance bio-sensor. The angular sensitivity of bio-sensor is numerically analyzed for a wide range of biological solutions (refractive index 1.33~1.37). Furthermore, the availability of sensor to detect cancer cells and blood plasma concentration is evaluated. Finally, the results indicate that the proposed bio-sensor is capable efficiently to detect various kinds of cancer cells and different glucose concentrations in urine.

버섯형 이중 격자구조의 광 바이오센서에 대한 회절 특성

호광춘 한국인터넷방송통신학회 2022 한국인터넷방송통신학회 논문지 Vol.22 No.2

The resonant bio-sensor of bi-level grating structure with mushroom profile has been designed for operating in the near-infrared (NIR) wavelength range under transverse electric (TE) polarization. The rigorous modal transmission-line theory (MTLT) is applied to determine the optical characteristics, and the reflection resonance of the grating structure is analyzed by varying their geometrical parameters. The numerical result shows that an excited sharp Fano resonance (FR), which does not occur in single layer grating, is demonstrated. The relationship between structure parameters of bi-level grating and the reflectance spectrum in order to guarantee the appearance of FR in the designed structure is fully investigated. An optical bio-sensor with a potential sensitivity of 112.9~214.3 deg/RIU and 447 nm/RIU is designed based on the proposed structure. The proposed mushroom profile may serve as a powerful sample for the design of optical bio-sensors with a wide range of applications. 버섯형 이중 격자 구조의 공진 바이오센서가 TE 편광 하의 근적외선 (NIR) 파장 범위에서 동작하도록 설계되었다. 정확한 MTLT (modal transmission-line theory)를 적용하여 광학적 특성을 결정하고, 격자 구조의 기하학적 매개변수를 변경하여 격자 구조의 반사 공진을 분석하였다. 수치 해석적 분석 결과, 단일층 격자 구조에서는 발생하지 않는여기된 날카로운 Fano 공명 (FR)이 발생하였다. 설계된 구조에서 FR의 발생을 입증하기 위하여 이중 격자의 구조 매개변수와 반사 스펙트럼 사이의 관계를 자세하게 조사하였다. 제안된 구조를 기반으로 잠재적 감도가 112.9~214.3 deg/RIU, 그리고 447 nm/RIU인 광 바이오센서가 설계되었다. 제안된 버섯형 구조는 광범위한 응용 분야를 가진 광바이오센서 설계에 대한 좋은 표본으로 이용할 수 있다.

격자 구조형 스트립 방향성 결합기에 기초한 광 바이오-센서의 고 민감도 분석

호광춘 한국인터넷방송통신학회 2023 한국인터넷방송통신학회 논문지 Vol.23 No.6

격자 구조형 스트립 방향성 결합기를 기반으로 한 고 민감도 굴절률 bio-sensor를 제안하였다. 그 센서는 도파관 중 하나의 상단 층에 격자 구조가 구성된, 두 개의 비대칭 스트립 도파관을 사용하여 설계하였다. 위상정합 조건을 만족하는 공진 파장에서 한 도파관으로부터 다른 도파관으로 최대 광 결합이 발생하며, 도파관 표면 영역에 놓인 분석물질의 굴절률 변화에 따른 위상정합 조건의 변화가 민감도를 측정하는 척도로 사용될 수 있음을 보여주었다. 제안된 센서는 높은 굴절률 민감도를 가진 on-chip 장치로 설계될 수 있으며, 낮은 전파 손실을 제공하여 민감도가 향상되도록 센서를 구성되었다. 더욱이, 도파관 파라미터에 따른 민감도 변화가 센서의 설계 최적화를 위하여 분석되었다.

브래그 격자 광도파로형 바이오 센서

이재현,김경조,오민철,Lee, Jae-Hyun,Kim, Gyeong-Jo,Oh, Min-Choel 한국광학회 2006 한국광학회지 Vol.17 No.1

본 논문에서는 집적 광학 광도파로 소자 기술을 적용하여 생화학 물질의 성분을 정밀하게 측정 가능한 광소자로서 폴리머 광도파로와 브래그 격자를 이용하는 구조를 최초로 제안하였다. 유효굴절률법과 전송행렬법을 이용하여 최적의 감도를 가지는 브래그 격자 광도파로를 설계하였으며 코아와 하부 클래딩의 굴절률이 각각 1.540, 1.430인 폴리머를 이용하여 코아 두께가 $3{\mu}m$ 인 구조의 반전립 광도파로를 제작하였다. 코아 층까지 완성된 도파로 위에 레이저 빔 간섭계와 플라즈마 에칭을 이용하여 격자를 형성한 뒤 격자표면에 20 nm 두께의 Au층을 증착하고 칼릭사린(calixarene) 단분자층을 만들어 바이오센서를 제작하였다. 제작된 광센서를 이용하여 PBS(phosphate bufferedsaline) 용액에 함유된 $K^+$의 농도에 따라 브래그 반사픽이 단파장으로 이동하는 것을 관찰할 수 있었다. Biophotonic sensors based on polymer waveguide with Bragg reflection grating are demonstrated in this work. Waveguide Bragg reflectors were designed by using the effective index method and the transmission matrix method. The grating pattern was formed by exposing the laser interference pattern on a photoresist. On top of the inverted rib waveguide, the Bragg reflection grating was inscribed by the O2 plasma etching. In order to perform the bio-molecule detection experiment, a calixarene molecule was self-assembled on top of thin Au film deposited on the waveguide Bragg reflector. To measure the response of the sensor, several PBS solutions with different concentrations of potassium ion from 1 pM to $100\;{\mu}M$ were dropped on the sensor surface. The shift of Bragg reflection wavelength was observed from the fabricated sensor device, which was proportional to the concentration of potassium ion ranging from 1 pM to 108 pM.

금속층에 기반한 격자구조형 고성능 플라즈마 바이오센서

호광춘 한국인터넷방송통신학회 2022 한국인터넷방송통신학회 논문지 Vol.22 No.3

An analytical model based on a modal transmission-line theory (MTLT) is developed to investigate the optical transmission through metal gratings. This model gives well physical meanings for the transmission as well as for the dispersion relations of the modes responsible for high transmission. These concepts provide accurate information even for real metals used in the visible~near-infrared wavelength range, where surface plasmon polaritons (SPP’s) are excited. Furthermore, the dispersion relations allow the nature of the propagation modes to be assessed. The propagation modes are hybrid between Fabry-Pérot like modes and SPP’s. It is important to consider different period and aspect ratio of metal gratings in order to determine the nature of the hybrid modes. In this paper, the sensing characteristics and mode propagation phenomena of high-performance plasma bio-sensors that depend on these variables were clearly analyzed. 금속 격자를 통한 광전송을 분석하기 위하여 모드 전송선로 이론 (MTLT)에 기반한 해석 모델을 제안하였다. 이 모델은 높은 전송을 담당하는 모드의 분산 관계뿐만 아니라 전송에 대한 물리적 의미를 잘 제공한다. 이러한 개념들은 표면 플라즈몬 폴라리톤 (SPP)이 여기되는 가시광선~근적외선 파장 범위에서 사용되는 실제 금속에 대해서도 정확한정보를 제공한다. 또한, 그 분산 관계를 통하여 전송 모드의 특성을 평가할 수 있다. 그 전송 모드는 Fabry-Pérot 유사모드와 SPP 사이의 하이브리드 모드이다. 그 하이브리드 모드의 특성을 결정하기 위하여 금속격자의 다른 격자주기와격자비율 고려하는 것이 중요하다. 본 논문에서는 이러한 변수들에 의존하는 고성능 플라즈마 바이오센서의 감지 특성과모드 전송 현상을 명확하게 분석하였다.

DNA thin film coated optical fiber biosensor

Amin, R.,Kulkarni, A.,Kim, T.,Park, S.H. Elsevier 2012 Current Applied Physics Vol.12 No.3

We present a simple but highly sensitive biotinylated DNA double crossover thin film coated fiber optic reflectance biosensor (DTF FORS) for the detection of streptavidin aerosols as a building block towards sensing bio-aerosols. The DNA double crossover lattice with biotin was dropped on the polymer optical fiber end face to prepare DNA Thin Film. The streptavidin aerosols were prepared using conventional aerosol technology. The DTF FORS response to streptavidin aerosol was few seconds and the sensor repeatability for air and streptavidin aerosol was found to be excellent. The presented FORS sensing approach, where the film can be changed on the end face of the optical fiber, is expected to detect atmospheric bio-aerosols with great sensitivity and effective specificity.

DNA thin film coated optical fiber biosensor

Rashid Amin,아툴,김태성,박성하 한국물리학회 2012 Current Applied Physics Vol.12 No.3

We present a simple but highly sensitive biotinylated DNA double crossover thin film coated fiber optic reflectance biosensor (DTF FORS) for the detection of streptavidin aerosols as a building block towards sensing bio-aerosols. The DNA double crossover lattice with biotin was dropped on the polymer optical fiber end face to prepare DNA Thin Film. The streptavidin aerosols were prepared using conventional aerosol technology. The DTF FORS response to streptavidin aerosol was few seconds and the sensor repeatability for air and streptavidin aerosol was found to be excellent. The presented FORS sensing approach, where the film can be changed on the end face of the optical fiber, is expected to detect atmospheric bio-aerosols with great sensitivity and effective specificity.

Effects of the Reflectance of Collection Optics on the Performance of Bio-Fluorescence Sensor

Yi-Seul Jo(조이슬),Sun-Seok Byeon(변순석),Jong-Chul Lee(이종철),Youn-Jea Kim(김윤제) 한국유체기계학회 2015 한국유체기계학회 학술대회 논문집 Vol.2015 No.12