KR100737170B1 - 양자점 형광체를 이용한 이동식 형광 측정장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 청색 레이저 다이오드 또는 이차 고조파 소형 녹색 레이저를 광원으로 사용하여 양자점 형광체를 여기함으로써 발생하는 자발 방출광을 렌즈로 모아 칼라 CCD(Charge Coupled Device) 카메라에 집속함으로써 형광체의 이미지를 얻거나 평균 형광체 밀도를 구하는 형광 측정장치에 관한 것이다. 본 발명은 레이저 다이오드 사용으로 소형화와 전지 구동이 가능하며 가격이 저렴한 이동식 또는 휴대용 형광 측정기 제작이 가능하게 한다. 또한 양자점 형광체의 사용으로 인해 하나의 저가 및 소형 레이저 광원으로 다수의 형광체를 여기 시킬 수 있는 효과를 제공한다. 이로 인해 기존의 공초점 현미경, 형광 현미경, DNA 칩 스캐너 등이 램프 광원 또는 다수의 레이저 광원 사용함으로써 가지던 대 전력 소모, 시스템 복잡화, 고 가격화, 큰 부피와 같은 단점들을 해결하는 효과를 제공한다.

형광체, 양자점, 현미경, 레이저 다이오드, SHG, DPSSL, CCD

Description

양자점 형광체를 이용한 이동식 형광 측정장치{Portable Quantum Dot Flurescent Detector}

도 1은 본 발명의 형광측정장치의 일 실시예에 따른 개념도이다.

도 2는 본 발명의 형광장치에 사용되는 양자점 형광체의 원리를 도시한 도면이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

101...레이저 다이오드102...이색 반사경

103...렌즈104...시료

105...필터106...칼라 CCD 카메라

107...필터 홀더

본 발명은 양자점 형광체를 이용한 이동식 형광 측정장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 양자점 형광체와 레이저 다이오드 및 칼라 CCD 카메라를 이용한 형광 측정장치를 통해 소형의 광원 및 렌즈 등을 구성하여 소형의 형광 측정장치를 사용할 수 있도록 하여 휴대성 및 이동성을 높이도록 한 이동식 형광 측정장치에 관한 것이다.

기존의 생물학에서 쓰이는 형광 물질을 이용한 표지 방법은 다음과 같다. 유기 형광 분자에 특이 반응 부위가 있어서 특정 생물 짝결합(bio-conjugate) 간에 선택적으로 결합한다. 예를 들어 바이오틴(biotin) 기능 그룹과 아비딘(Avidin) 기능 그룹 간의 결합은 매우 강하고 선택적이어서 생물 형광 표지 작업에 많이 사용된다. 단백질에 바이오틴 기능 그룹을 붙이고 형광체에 아비딘 기능 그룹을 붙여서 서로 반응 시키면 형광체가 부착된 단백질을 얻을 수 있다. 세포 내 특정 부위에 이런 단백질이 위치하면 단백질에 형광체가 붙어 있기 때문에 형광 현미경을 사용하여 위치를 파악할 수 있게 된다.

형광 현미경의 원리는 형광체가 높은 에너지의 빛을 흡수하고 자기 고유의 파장을 방출하는 특성을 이용한 것으로 특정 파장의 빛만 선택적으로 필터링해서 보는 광학 현미경의 일종이다. DNA 칩 스캐너 또한 같은 원리로 DNA의 칩에 레이저를 조사하여 형광의 색깔과 세기에 대한 이미지를 얻어내는 장치이다. 그런데 이런 형광 스캐너들의 대부분은 부피가 크고 무거워 이동하기 힘든 단점이 있다. 이렇게 형광 스캐너들이 부피가 큰 이유는 대부분 광원 문제에 기인한다. 형광 현미경(epi-fluorescence microscopy)의 경우, 수은 등이나 제논(Xenon) 등을 사용하여 시료를 비춘 다음 현미경의 대안렌즈를 통해 직접 보는 방식을 취한다. 이렇게 고압 방전 램프를 사용하게 되면 충분한 형광 세기를 얻기 위해서 램프의 전력 소모가 크고, 부피가 커지므로 이동식이나 휴대용으로 만들기 힘들다.

형광 현미경 보다 정교한 장치로 레이저 광원을 이용한 공 초점 현미경을 들 수 있는데, 공 초점 현미경은 광원으로 보통 파장이 2개 내지 3개 이상의 레이저를 사용하고 레이저 빔을 움직이는 스캔 헤드(scan head)라고 불리는 복잡한 기계 장치를 구비하고 있다. 또한 공 초점 현미경에서 사용하는 레이저는 보통 사용하는 유기 형광체의 흡수 파장과 일치하게 만들기 위해 고체 레이저나 기체 레이저를 사용하는 것이 보통이다. 그러나 고체 레이저나 기체 레이저는 레이저 다이오드에 비해 전력 광 변환 효율이 낮아 전력 소모량이 많고 부피가 크므로 역시 휴대용 형광 스캐너를 만들기에 적합하지 않다. 그리고 이런 시스템의 문제는 여러 개의 형광체를 보기 위해서 다수의 레이저 광원을 동시에 구비해야 한다는 단점이 있다. 결국 이것은 시스템이 그 만큼 복잡해지고 커지는 것을 의미한다.

또한 기존의 형광 현미경이나 공 초점 현미경, DNA 칩 스캐너 등은 사용하는 광원이 비싸기 때문에 시스템 가격이 굉장히 비싸다는 것도 단점으로 지적되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 저가의 청색 다이오드 레이저 또는 이차 고조파(SHG: Second Harmonic Generation) 녹색 레이저를 광원으로 사용하여, 가격이 저렴하며, 전력 소모가 작아 전지 구동이 가능하고, 휴대용으로 사용할 만큼 소형화가 가능한 형광 측정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 양자점 형광체와 칼라 CCD 카메라와 같은 변환소자를 사용함으로써 단일 레이저 광원으로 시료를 조사하여도 여러 형광체의 밀도와 형광 이미징이 가능하여, 부피가 작아 휴대가 가능하면서도 가격이 저렴한 형광 측정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 구성수단으로서, 본 발명은 시료와 결합하여 흡수파장에 따라 형광을 방출하는 양자점 형광체; 상기 양자점 형광체로부터의 광 경로와 수직인 경로상에 위치하는 레이저 다이오드; 상기 레이저 다이오드로부터 나오는 레이저광의 파장영역은 직각으로 반사시키고 상기 레이저광의 파장보다 긴 파장영역은 그대로 통과시키도록 형성되는 이색 반사경; 상기 이색 반사경에서 반사된 레이저광을 상기 양자점 형광체와 결합한 시료에 집속하고, 상기 형광체에서 나오는 상기 레이저광의 파장보다 높은 자발 방출광을 집속하여 상기 이색 반사경을 통과하도록 하는 렌즈; 상기 렌즈 및 이색반사경을 통과한 자발 방출광에서 상기 레이저광의 파장보다 긴 파장만 통과시키는 필터; 및 상기 필터를 통과한 자발 방출광을 전기신호로 변환하는 변환소자:를 포함하는 이동식 형광 측정장치를 제공한다.

바람직하게는, 상기 레이저 다이오드는 청색영역대의 파장을 갖는 청색 레이저 다이오드가 될 수 있고, 또한 상기 레이저 다이오드는 반도체 레이저로 펌핑하고 주파수를 두배로 증가시켜 녹색영역대의 방출 파장을 갖도록 한 이차 고조파 녹색 레이저이고, 이때 상기 필터에는 적외선 영역을 차단하는 적외선 차단필터(IR 필터)가 추가되는 것이 가능하다.

또한 바람직하게는 일측에 상기 필터가 결합되고, 타측에는 상기 변환소자로 이루어진 카메라가 결합되어, 필터를 통과한 빛이 외부의 빛과 간섭을 이루지 않도록 하는 필터 홀더를 추가적으로 포함할 수 있고, 상기 변환소자는 칼라 CCD, 흑백 CCD, CMOS 촬상소자, 포토다이오드, 광증배관 중 어느 하나가 될 수 있다.

본 발명의 이동식 형광 측정장치는 이색 반사경(Dichroic mirror)(102), 렌즈(103), 양자점 형광체를 포함한 시료(104), 필터(105), 필터 홀더(107), 칼라 CCD 카메라(106)가 일렬로 배열되어 있고, 레이저 다이오드(101)가 앞선 광 부품 배열에서 이색 반사경 옆에 직각 방향에 위치해 있는 구성을 가지고 있다.

이색 반사경

도 1은 본 발명에 의한 형광 측정장치의 일 실시예를 도시한 도면으로, 레이저 다이오드(101)에서 출발한 빛은 이색 반사경(102)에서 90도 반사하여 렌즈로 진행한다. 이색 반사경은 파장에 따라 반사율이 다른 유전체 코팅된 반사경으로서 레이저 빔 경로와 표면이 45도를 이루고 있다.

이 각도에서 예를 들어 405 nm 청색 레이저광을 사용하는 경우, 405nm의 광은 반사하고 405 nm 보다 긴 파장은 투과하도록 형성되어 있다. 이러한 파장 선택적 반사율은 이색 반사경의 코팅 설계에 따라 달라질 수 있다. 레이저 파장과 형광체 파장의 차이가 작을수록 반사율이 경계 파장에서 급격하게 변화해야하는데, 특정 파장에서 반사율이 급격하게 변하게 만드는 것은 높은 코팅 기술과 많은 유전체 층을 필요로 하므로 가격도 비싸진다. 또한 레이저 파장과 형광체 방출 파장이 가까이 있으면 레이저를 반사시키면서 형광체에서 나온 빛 또한 반사시키는 비율이 늘어나 결과적으로 신호가 작아진다. 따라서 레이저의 파장과 형광체 방출 파장은 될 수록 많이 떨어져 있는 것이 좋다. 또한 이색 반사경(102)은 후술하는 양자점 형광체로부터 나오는 자발 방출광(예를 들어 405 nm 이상의 파장을 갖는 광)을 그대로 통과시킬 수 있도록 구성된다.

레이저 다이오드

본 발명의 형광 측정장치의 광원으로는 레이저 다이오드(101)를 사용할 수 있고, 특히 405 nm 의 파장을 갖는 청색 레이저 다이오드를 사용할 수 있다. 청색 레이저 다이오드(101)는 보통 GaN로 만들어지며 405 nm 발진 파장을 가지고 있다. 최근에 GaN 성장 기술과 소자의 대량 생산 기술이 진보함에 따라 그 가격이 점점 낮아지는 추세이다. 레이저 다이오드를 사용함으로써 얻을 수 있는 이점은 부피가 매우 작고 전력 광 변환 효율이 고체나 기체 레이저에 비해 매우 좋으며 구동 전압이나 전류가 낮아 전지 구동이 가능하고 시스템의 소형화가 가능하다는 점이다.

또한 808 nm 파장의 반도체 레이저로 광 펌핑하여 1064 nm 레이저를 만들고 이 파장의 주파수를 다시 두 배로 증가시킨 이차 고조파 녹색 레이저를 사용하는 것도 가능하다. 이차 고조파 레이저는 일차 레이저에서 발생되는 빛을 비선형 물질을 통과시켜 원래의 2 배의 주파수의 빛을 발생시키도록 한 레이저로써, 발진파장은 1064 nm 레이저의 절반인 532 nm 이고, 405 nm 청색 레이저에 비해서는 파장이 길지만 여전히 532 nm 빛을 흡수하는 가시광 및 근 적외선 형광체가 여러 개 존재하기 때문에 본 발명의 형광 측정장치의 광원으로 사용할 수 있다. 예를 들어 600 nm, 650 nm, 700 nm 방출 파장을 가지는 양자점 형광체를 532 nm 레이저를 이용하여 여기할 수 있다.

양자점 형광체

이색 반사경(102)에서 반사한 레이저 빛은 렌즈(103)로 입사하여 양자점 형광체를 포함한 시료(104)에서 집속된다.

양자점 형광체는 나노입자의 양자점(quantum dot)구조가 갖는 특성을 이용한 것으로, 반도체 화합물을 이용하여 수 나노미터 크기의 양자효과를 갖는 입자를 제조하여 형성된다. 양자점 형광체는 도 2에서와 같이 전자가 채워져 있는 공유띠(valence band, VB)와 전자가 비워져 있는 전도띠(conduction band, CB)로 구성되어 있다. 이 공유띠와 전도띠의 간격에 해당하는 에너지 이상의 빛이 조사되면 여기되어 전도띠의 전자가 공유띠의 홀과 결합하면서 형광이 발생하게 된다. 이러한 양자점 형광체는 기존의 화학 형광체와 달리 여기스펙트럼과 발광스펙트럼의 파장별 위치가 크게 다른 특징을 갖는다.

예를 들어, CdS 의 경우 흡수파장이 496 nm 이하이면 형광의 발생이 가능하고, 이때 방출파장은 약 550 ~ 600 nm 가 된다. 또한 CdSe와 같은 경우 708 nm 이하의 파장에서 여기될 수 있게 된다. 또한, 양자점 형광체는 크기가 달라지면 다른 색의 형광을 방출하는 특징을 갖는다. 즉, 1 nm 와 수 nm 의 형광체는 각각의 특징적인 색을 갖는 형광을 방출할 수 있게 된다. 이에 따라 형광체의 크기가 다른 것들을 특정 세포에 결합시키게 되면 세포의 실시간 영상화가 가능해지는 장점을 갖게 된다.

이와 같이 레이저의 흡수파장과 형광체의 방출파장의 차이가 크게 되면 여러 장점을 제공하는데, 형광 세기를 측정하기 위해 레이저 파장을 필터(105)로 잘라내야 하는데 이때 레이저 파장과 형광체 파장이 가까우면 필터가 형광체에서 나오는 자발 방출광의 상당 부분을 같이 없애기 때문에 신호가 약해지는 단점을 없앨 수 있게 된다. 따라서 양자점 형광체와 이 형광체의 방출 파장에서 많이 떨어진 레이저 광원을 사용하면 더 큰 신호를 얻을 수 있다.

또한 이러한 양자점 형광체가 가지는 큰 차이의 흡수 파장과 방출 파장 차이는 저가의 레이저 다이오드 사용을 가능하게 하고 신호의 크기를 크게 유지시켜 준다. 기존 시스템들은 형광체에 따라 여기 시키는 레이저 광원이 정해 졌지만 양자점 형광체의 경우에는 흡수 밴드 이상의 에너지를 가지는 여기 레이저 광원을 사용함으로써 저가의 레이저 다이오드와 결합하여 시스템 구성이 가능하다.

또한 여러 방출 파장의 양자점 형광체를 여기 하는데 다수의 레이저 광원이 필요하지 않고 단일 레이저 광원으로 가능해진다. 예를 들어 405 nm 청색 레이저 다이오드를 사용하게 되면 450 nm, 500 nm, 550 nm, 600 nm, 650 nm, 700 nm 등의 양자점 형광체를 사용할 수 있다. 만약 532 nm SHG 녹색 레이저를 사용하게 되면 600 nm, 650 nm, 700 nm 등의 양자점 형광체를 사용할 수 있다. 결국 양자점 형광체와 다이오드 레이저의 결합은 기존 유사 시스템들이 갖기 힘들었던 형광 측정기의 소형화와 저가화 및 다기능화를 구현할 수 있다.

필터

양자점 형광체(104)에서 발산된 자발 방출광은 렌즈(103)에 의하여 다시 집속되어 이색 반사경(102)를 통과하여 칼라 CCD 카메라(106)에 상을 맺게 된다. 칼라 CCD 카메라(106)에 도달하기 전에 레이저 다이오드(101)에서 나오는 광이 같이 혼입되는 것을 제거하기 위하여 필터(105)를 사용한다. 예를 들어 405 nm 청색 레이저 다이오드를 사용하는 경우, 이색 반사경(102)이 405 nm 빛을 100 % 반사시키지는 못하기 때문에, 양자점 형광체가 결합된 시료(104)에서 반사한 405 nm의 레이저 빛의 일부가 이색 반사경(102)을 통과하여 칼라 CCD 카메라(106)로 입사하게 된다. 보통 이 빛은 형광체에서 나오는 빛 보다 훨씬 밝아서 카메라의 광전 소자를 포화 전압까지 올려서 실제 형광 이미지를 얻는데 방해가 된다. 따라서 필터(105)는 450 nm 이상의 빛만 통과 시키고 더 파장이 짧은 빛은 통과시키지 않도록 기능한다. 필터(105)는 신호 대 잡음 비율에 따라 여러 개를 추가할 수 있다.

또한 광원으로 이차 고조파 녹색 레이저를 사용할 경우도 필터(105)를 통해 형광체에 입사되는 파장의 빛의 일부가 이색반사경을 통과하여 카메라로 입사되지 않도록 하기 위하여 약 600 nm 이상의 파장을 가진 빛만 통과시키도록 필터를 형성한다.

또한 이차 고조파 녹색 레이저를 사용하는 경우 펌핑용 808 nm 다이오드 레이저나 이 다이오드 레이저로 광 펌핑한 1064 nm 레이저에서 나오는 적외선이 녹색 레이저 출력에 0.01 % 정도 포함되어 있다. 따라서 필터(105)에 적외선 차단 필터(Infrared Ray cutting filter)를 추가하도록 한다. 적외선 차단 필터의 경계 파장(Infrared Ray cutting edge wavelength)은 보려고 하는 형광체 방출 파장 보다는 길어야 한다. 예를 들어 형광체가 650 nm 파장의 빛을 방출하도록 설계되면, 적외선 차단 필터의 경계 파장은 700 nm 내지 750 nm 정도가 되도록 하여야 한다.

변환소자

필터(105)를 통과한 자발 방출광은 광을 전기신호로 변환하는 변환소자로 입력된다. 변환소자는 앞서 예로써 설명하고 있는 칼라 CCD 카메라가 될 수 있다. 형광체 이미징에 사용하는 칼라 CCD 카메라(106)는 기본적으로 2차원 광 검출기 배열이며 각 화소에 칼라 필터가 부착되어 있어 서로 다른 파장에 대해 서로 다른 전기 신호를 발생한다. 형광체는 크기 및 종류에 따라 다른 전기 신호를 발생하므로 여러 가지 색깔로 된 형광 이미지를 볼 수도 있고, 각 색깔 별로 분류할 경우 형광체의 방출 파장에 따른 개별적인 밀도 분포 또한 알아낼 수 있다. 예를 들어 특정 방출 파장 형광체만 사용한다면 형광 이미지는 단색으로 표시되며 일정 영역에서 평균한 빛의 세기는 그 영역 형광체 밀도와 비례하게 된다. 이렇게 형광 이미지 색깔에 따라 평균값을 취할 경우 우리는 칼라 CCD 카메라(106)를 방출 파장별 형광체 밀도를 재는 형광 측정기로 사용이 가능하다.

또한 상기 변환소자는 흑백 CCD, CMOS 촬상소자, 포토다이오드, 광증배관(Photomultiplier) 등을 사용하는 것도 가능하다.

필터 홀더

필터 홀더(107)는 일측의 개구부를 필터로 하고 옆면은 막혀 있어 주위의 빛이 세어 들어오지 못하며 타측의 개구부는 카메라(106)와 직접 연결할 수 있게 한다. 이러한 구조는 형광 측정기 내에서 돌아다니는 레이저 광선이 옆면으로 들어와 잡음을 일으키는 경우를 방지할 수 있다. 형광 측정기를 완벽한 밀폐된 케이스에 넣을 경우 케이스 내에서 발생하는 빛은 레이저(101)에서 나오는 빛과 형광체(104)에서 나오는 빛으로 구분되는데, 이와 같은 필터 홀더(107)를 구비함으로써 이들 모두 필터를 통과해서만 카메라(106)에 도달하게 된다. 이때 레이저 광은 필터에 의해 제거할 수 있다.

형광체 빛이 레이저 광에 대해 매우 낮은 수준이므로 정밀한 형광 세기 측정을 위해서는 이러한 필터(105)와 카메라(106)을 일체형으로 만들어 주는 필터 홀더(107)의 기능이 매우 중요하게 된다. 또한 이 필터 홀더(107)는 카메라(106)와의 연결 부위를 표준화할 경우, 카메라와 같은 연결 부위를 가지는 다른 광 검출기 모듈, 예를 들어 포토다이오드 또는 광 증배관(Photomultiplier) 모듈과 교환할 수 있으므로 형광 측정기를 이미지 측정이나 고 감도 형광 세기 측정 등 다목적으로 사용할 수 있는 장점을 제공한다.

이상과 같이 본 발명에 의하면 양자점 형광체와 소형 청색 레이저 다이오드 또는 다이오드 레이저 펌핑형 소형 이차 고조파 녹색 레이저, 그리고 칼라 CCD 카메라와 결합하여 크기가 소형이면서도 소비 전력이 작아 전지 구동이 가능하고, 따라서 이동 또는 휴대가 가능하면서도 가격이 저렴한 형광 이미지 또는 형광 세기 측정기를 만들 수 있는 효과를 제공 한다.

또한 본 발명은 칼라 CCD를 사용함으로써 저가의 소형 레이저 광원 하나를 가지고 여러 형광체의 밀도나 평균 세기를 구할 수 있게 하는 다 기능 형광 측정기를 아주 간단하게 구성하게 하며, 결국 장치를 소형화하고 동시에 저 가격화할 수 있는 효과를 제공한다.

본 발명은 기존의 공 초점 현미경이나 형광 현미경 및 DNA 칩 스캐너들이 가지고 있는 램프 광원 또는 다중 레이저 광원으로 인한 여러 가지 단점들, 예를 들어, 큰 부피, 대 전력 소모, 높은 제조비용, 이동성 제약 등을 해결하는 효과를 제공한다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 벗어나지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 알 수 있음을 밝혀두고자 한다.

Claims (5)

1. 시료와 결합하고, 공유띠와 전도띠를 포함하여 그 간격에 해당하는 에너지 이상의 빛이 조사되면 여기되어 전도띠의 전자가 공유띠의 홀과 결합하면서 형광이 발생하도록 하는 양자점 형광체;

   상기 양자점 형광체로부터의 광 경로와 수직인 경로상에 위치하는 하나의 파장대역을 갖는 레이저 다이오드;

   상기 레이저 다이오드로부터 나오는 레이저광의 파장영역은 직각으로 반사시키고 상기 레이저광의 파장보다 긴 파장영역은 그대로 통과시키도록 형성되는 이색 반사경;

   상기 이색 반사경에서 반사된 레이저광을 상기 양자점 형광체와 결합한 시료에 집속하고, 상기 형광체에서 나오는 상기 레이저광의 파장보다 높은 자발 방출광을 집속하여 상기 이색 반사경을 통과하도록 하는 렌즈;

   상기 렌즈 및 이색반사경을 통과한 자발 방출광에서 상기 레이저광의 파장보다 긴 파장만 통과시키는 필터; 및

   상기 필터를 통과한 자발 방출광을 전기신호로 변환하는 변환소자를 포함하는 이동식 형광 측정장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 레이저 다이오드는 청색영역대의 파장을 갖는 레이저 다이오드인 것을 특징으로 하는 이동식 형광 측정장치.
3. 제 1항에 있어서, 상기 레이저 다이오드는 반도체 레이저로 펌핑하고 주파수를 두배로 증가시켜 녹색영역대의 방출 파장을 갖도록 한 이차 고조파 녹색 레이저이고, 이때 상기 필터에는 적외선 영역을 차단하는 적외선 차단필터(IR 필터)가 추가되는 것을 특징으로 하는 이동식 형광 측정장치.
4. 제 1항에 있어서, 일측에 상기 필터가 결합되고, 타측에는 상기 변환소자로 이루어진 카메라가 결합되어, 필터를 통과한 빛이 외부의 빛과 간섭을 이루지 않도록 하는 필터 홀더를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 이동식 형광 측정장치.
5. 제 1항에 있어서, 상기 변환소자는 칼라 CCD, 흑백 CCD, CMOS 촬상소자, 포토다이오드, 광증배관 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 이동식 형광 측정장치.

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