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Photonic crystal-based sensors toward wearable point-of-care technology

  • 맹보희 (서강대학교 일반대학원)

초록/요약

The proposed thesis aims to develop photonic crystal based wearable POC sensors which applicable from health care to biomedical monitoring systems. Point-of-Care Technology (POCT) is a method that can diagnose a specific disease by real-time checking of an individual's vital signals such as blood pressure and breathing, or biomarkers in body fluids. POC sensors combined with the latest flexible substrate production technology have been used in various forms as wearable sensors. In particular, as data compatibility with smartphones, smartwatches, and tablets-enables devices becomes possible, its importance and interest are increasing significantly. Here, we demonstrate a smart IOP sensor embedded in a contact lens that works through visual color changes without an external power source such as a battery or RF-based wireless power transfer. A microhydraulic amplification mechanism is adopted to enhance the range of color change from a photonic crystal (PC)-based flexible membrane whose lattice distance between nanostructures varies according to the morphology changes of an eyeball caused by IOP. The performance of the sensor is quantitatively demonstrated using an artificial silicone eye model for in vitro evaluation and a porcine eyeball for ex vivo verification. The results prove that the IOP change can be continuously monitored with the naked eye to provide a warning system, and a smartphone camera can be used as a quantitative IOP measurement system using the color change of the contact lens in a noninvasive manner without an expensive optical spectrometer. A direct label-free biosensor based on the 3D photonic crystal (PC) structures for Rotavirus has also been demonstrated, which can be developed for POCT. The proposed sensor can detect the target with viral loading from 6.35 µg/ml to 1.27 mg/ml without any sample pretreatment. Sensitivity and selectivity performance are analyzed quantitatively by measuring peak wavelength value (PWV) and comparing the performance using an ELISA assay. In order to facilitate the target virus accessibility to inner structures in the sensor, the hydrogel-based inverse opal structure is etched by O2 plasma and the connection window between nanopores becomes enlarged. This process is critical for enhancing virus sensing performance. Our PWV shift range is larger than of the shift in a 1D photonic crystal based virus sensor because the larger surface area in 3D inverse opal structures is realized. These results show that the proposed method is useful for developing a direct and easy-to-use virus detection kit in the form of a POCT in the near future.

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초록/요약

산업과 기술의 발전으로 인류의 기대 수명은 길어 졌고, 그 만큼 삶의 질과 건강관리에 대한 관심이 증대 되었다. Point-of-care technology (POCT)는 개인의 혈압이나 호흡 등의 생체신호 또는 체액의 바이오 마커를 실시간으로 측정하여 특정 질병을 진단 할 수 있는 기술이며 오늘날의 건강관리 시스템이 요구하는 조건과 부합하는 장점을 가지고 있기에 그 관심이 더욱 커지고 있다. 특히, 유연한 기판의 제조기술과 POC 기술의 결합은 신체에 착용 가능한 POC센서의 급격한 발전을 가져왔고, 스마트폰, 스마트워치, 타블렛 등의 전자기기와의 연동 및 데이터 호환이 가능해 짐으로써 그 중요성 및 관심은 더욱 증대 되었다. 본 학위논문에서는 광결정 (photonic crystal) 구조와 착용 기술이 결합된 POC 센서의 연구를 종합 하였으며, 특히 녹내장을 진단할 수 있는 실시간 안압 측정용 스마트 콘택트렌즈 센서와, 광결정 구조체에서 유래한 유연한 삼차원 하이드로겔 구조를 기반으로 하는 로타바이러스 (Rotavirus) 진단 센서의 개발 내용을 다루었다. 안압의 측정은 녹내장 진단의 가장 척도가 되는 요소로, 이 연구에서 우리는 기존의 전기적 신호의 안압센서와는 달리, 콘택트렌즈에 결합된 광결정 박막 센서의 색변화를 통하여 안압의 정도를 확인할 수 있는 안구 착용 센서를 설계 하였다. 스마트콘택트렌즈는 마이크로 유압 증폭 시스템 (Micro hydraulic amplification system)을 이용하여 미세한 안구의 변화를 감지하여 안압을 측정하는 원리로 작동하기 때문에 무전원·무선으로 작동하고, 고가의 주변장치가 필요 없으며, 전자기파의 노출 위험이 없다는 것이 장점이다. 인체 무해한 재료를 이용한 제작 또한 가능하다. 센서의 색변화는 스마트폰 카메라와 어플리케이션 프로그램을 이용하여 정량적 측정이 가능하게 설계 되었으며, 이를 이용하면 실시간 안압 변화를 확인하고 안압 상승에 따른 안구 상태의 위험을 감지하는데 도움이 된다. 스마트렌즈의 기하학적 최적화는 실제 실험과 시뮬레이션 과정을 거쳐 최종적으로 정립되었으며, 센서의 성능은 외부에서 압력을 인위적으로 가해주며 실시간 안압을 측정할 수 있는 실리콘 안구와 돼지 안구를 이용하여 생체외 실험과 탈체 실험을 통해 확인하였다. 착용형 스마트 콘택트렌즈 센서는 비침습적 방법으로 안압의 변화를 지속적으로 감지하고 안구의 위험 상황을 색변화로 경고 하기에 충분히 효과적이며, 앞으로의 발전 가능성이 충분한 안압 측정 센서로 평가 될 수 있을 것이다. 바이러스 진단 센서는 3차원의 역 오팔 (inverse opal) 하이드로겔 구조를 기초로 하여 로타바이러스를 감지 할 수 있는 비표지 바이오센서로 제작하였다. 광결정 구조 내에 전처리 과정을 거쳐 최종적으로 로타바이러스 항체를 성공적으로 연결하였으며, 바이러스 시료의 전처리 없이 6.35 µg/ml ~ 1.27 mg/ml 의 바이러스 검출 한계를 확인하였다. 최대파장값 (peak wavelength value)을 측정하여 기존의 ELISA 분석 방법과 그 성능을 비교함으로써 센서로 이용함에 있어서의 우수함을 확인할 수 있었다. 특히, 표적 바이러스가 센서의 내부 구조로 접근이 용이하도록 역 오팔 하이드로 겔 구조를 O2 플라즈마로 식각하여 (reactive ion etching) 나노 구멍 사이의 연결 창을 확대 하였던 점과 3차원 구조체의 센서가 가지는 넓은 검출 표면적 덕분에 1차원 구조의 광결정 기반 바이러스 센서보다 우수한 센서 민감성을 보일 수 있었다. 3차원 역 오팔 하이드로 겔 센서는 가까운 미래에 POC 형태의 직접적이고 사용하기 쉬운 바이러스 탐지 키트를 개발하는데 유용한 활용 방법으로 이용 될 수 있을 것이라 기대한다.

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