KR100860267B1 - 표면 플라즈몬 공명 센싱 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 각도 분해와 파장 분해 정보를 동시에 얻을 수 있는 표면 플라즈몬 공명(SPR: Surface Plasmon Resonance) 센싱 시스템으로, 시스템을 전혀 움직이지 않거나 또는 단순한 전환 방식으로 넓은 입사각을 확보함으로써 굴절률 차이가 큰 물질들의 SPR 분산 특성 이미지를 실시간으로 동시에 검출할 수 있는 시스템을 제공한다. 본 발명에 의하면, 기존의 각도 분해 SPR 또는 파장 분해 SPR 시스템들이 각각 입사각 및 파장 조절을 위하여 기계적으로 스캔하여 움직이는 것과 비교하여, 시스템을 고정시킨 상태에서 각도 분해와 파장 분해 SPR 정보를 한꺼번에 측정할 수 있게 되는 효과가 있다.
표면 플라즈몬 공명 (SPR), 각도 분해, 파장 분해, 실시간, 넓은 입사각

Description

표면 플라즈몬 공명 센싱 시스템 {Surface Plasmon Resonance Sensing System}
도 1은 종래 기술에 의한 표면 플라즈몬 공명 센싱 시스템의 개략적인 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명 센싱 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 플라즈몬 공명 센싱 시스템에서, 입사각의 최대 각도를 얻기 위해 렌즈의 초점거리, 빔 크기, 개구수와 입사각의 범위를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실험예를 적용한 블록도이고, 도 5는 도 4의 실제 구현 사진이다.
도 6은 본 발명의 실시예에서, 각도 캘리브레이션 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7 내지 도 11은 본 발명의 실험예에 따른 결과 사진들이다.
본 발명은 표면 플라즈몬 공명 (SPR: Surface Plasmon Resonance) 센싱 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 넓은 입사각 범위를 확보하면서 각도 분해와 파장 분해 정보를 동시에 얻을 수 있는 SPR 센싱 방법을 제공한다.
표면 플라즈몬 공명 시스템은 광학적인 방법으로 단백질, DNA, 세포 등의 생체 물질 사이의 상호작용을 실시간에 형광체와 같은 표지 물질 없이 고감도 (<1 ng)로 측정 가능함으로 인해 바이오센서로서 우수한 역할을 하고 있다. 이로 인해 신약개발, small molecule 검출, ligand fishing, binding specificity, proteomics 등의 연구에 활발하게 응용되고 있다.
표면 플라즈몬 공명 현상은 1900년대 초 Wood가 Fano의 금속 회절격자에서 표면 플라즈마 파 여기로 인한 비정상적 회절(anomalous diffraction)현상을 관측함으로써 비롯되었다. 1968년 Kretschmann과 Otto에 의해 프리즘을 이용한 두 개의 서로 다른 구조를 가진 표면 플라즈몬 공명의 여기가 시도되어 표면 플라즈몬 공명의 일반적인 응용 가능성을 보여주었다.
그리고 1970년대에 박막의 특성 분석과 금속 계면에서 변화를 관측하기 위한 표면 플라즈몬 공명의 가능성이 입증되었고, 1982년 Nylander과 Liedberg에 의해서 가스 검출과 바이오센서로서 SPR이 이용되었다. 그 뒤 물리, 화학, 생물학적 측정을 위한 SPR 감지용 기기의 응용뿐만 아니라 SPR 현상을 측정할 수 있는 새로운 기기 구성의 개발이 계속되었으며, 생체분자 상호작용을 감지하기 위한 SPR의 응용과 관련된 많은 연구 문헌도 보고되었다. SPR 현상이 제공하는 우수한 물질감지 특성에 힘입어 이미 바이오센서 시스템으로 상용화되기 시작하여 바이오센서 분야에서 주도적인 기술로 평가되고 있다.
SPR의 원리를 도 1을 참조하여 간략히 설명하면, 삼각 프리즘의 한 반사변 상부에 금속층과 유전체층을 형성한 상태에서 금속/프리즘 계면에서 소산파 (Evanescent Wave) 파수벡터와 표면 플라즈몬 파수벡터가 일치하는 입사광 특정각도에서 표면 플라즈몬 공명이 발생하게 된다.
이하, 종래 기술에 의한 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템을 설명한다. 종래 기술은 한국공개특허공보 2003-47567호에 개시되어 있다.
도 1은 종래 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템의 구조도로서, 표면 플라즈몬 공명 센서 칩(3), 상기 표면 플라즈몬 공명 센서 칩(3)의 하부에 부착된 프리즘(2), 상기 프리즘(2)을 통해 상기 센서 칩(3)으로 광을 제공하는 광원(1), 상기 센서 칩(3)에 반사된 광을 감지하는 수광부(4)로 이루어진다.
상기 표면 플라즈몬 공명 센서 칩(3)은 예를 들어 투명한 매질로 이루어진 기판(3a) 상에 접착층(3b) 및 금속박막(3c)이 순차적으로 적층된 구조로 이루어진다. 표면 플라즈몬의 생성을 위한 금속박막(3c)은 금, 은 등과 같은 귀금속으로 형성되고, 금속박막(3c)과 기판(3a)의 접착을 위한 접착층(3b)은 대개 크롬(Cr) 또는 티타늄(Ti)으로 형성된다.
이와 같이 구성된 표면 플라즈몬 공명 센서 칩(3) 상에 측정 대상이 되는 시료(5)가 위치되면 광원(1)으로부터 제공되는 광이 기판(3a)에 대해 일정한 각도(θ)로 프리즘(2)을 통해 입사되고, 금속박막(3c)에 평행한 파수벡터(Wave vector) 성분이 금속박막(3c)의 표면과 그 표면 상에 위치하는 시료(5)의 경계면을 따라 요동하는 전자밀도, 즉, 표면 플라즈몬의 파수벡터와 일치할 때 입사광의 에너지는 표면 플라즈몬에 대부분 흡수된다. 이 때, 플라즈몬 장(Field)의 분포는 금속박막(3c)의 계면과 측정시료(5) 사이의 양쪽 방향으로 지수 함수적으로 감소된다. 따라서 금속박막(3c)의 표면에 맞닿아 있는 시료(5)의 두께, 굴절률 혹은 액체 시료인 경우 그의 농도 변화에 따라 표면 플라즈몬의 공명 흡수 조건이 예민하게 변화되는데, 이 변화는 빛의 반사율(Reflectivity)을 변화시키므로 수광부(4)를 통해 변화되는 반사율을 측정함으로써 시료의 굴절률, 두께 혹은 농도 변화를 정량적으로 알아낼 수 있다.
한편, SPR이 원천적으로 고감도의 계측이 가능한 것은 표면으로부터 수백 nm이하의 범위 내에서 형성된 소산파 (Evanescent Wave)의 샘플 투과 깊이 (sampling depth)가 기존의 다른 광학적인 방법에 비해 월등하게 작기 때문이다. 즉, 표면에 고정화된 측정 물질과 소산파의 작용 영역이 다른 광학적인 방법에 비해 매우 협소하여 소산파를 이용하면 극미량의 시료만으로도 물질간의 상호작용을 쉽게 계측할 수 있다.
이런 SPR 시스템은 금속 박막 표면층 유전체 질량이 증가하거나 구조의 변형될 경우 유효 굴절률 (effective refractive index)이 변화하여 표면 플라즈몬 공명이 일어나 반사광이 최소가 되는 공명 각 또는 공명 파장이 달라지게 되는 것을 이용한 것이다. 이러한 물질의 변화를 광학적인 방법으로 계측할 수 있는 SPR 원리를 이용하면 금속 박막 표면층의 적절한 화학적 변형을 통해 다양한 생화학 물질들 사이의 선택적 결합이나 분리와 같은 생화학적 반응을 공명 각 또는 공명 파장의 변화로 감지할 수 있어 SPR 센서는 고감도 생화학 센서로 활용할 수 있게 된다. 상용화된 BIAcore SPR 센서의 경우, 유전층 굴절률이 0.001 변할 때 공명각의 변화가 0.10 변하게 되며 이는 단위 mm 면적 당 1 ng 정도의 질량 변화에 해당하는 것으로 알려져 있다. 또한 SPR 시스템은 Fresnel 방정식을 이용한 수치적인 해석으로 다층 막 측정 시료의 굴절률과 흡수계수, 두께에 대한 정보도 얻을 수 있어 생화학연구의 많은 분야에 응용되고 있다.
현재까지 주로 이용되어 온 proteomics 연구의 분석기술은 전기영동법, 질량분석법, 형광물질 표지법 등이 있다. 전기영동법은 낮은 재현성, 알칼리성 단백질과 고분자 단백질의 저 분리능, 불완전한 자동화 등의 여러 한계점을 가지고 있고, 단백질 칩을 이용하여 비교적 간단한 분석을 수행하는 경우 DNA칩에서와 같이 형광물질을 붙인 시료를 이용한 레이저 스캐너방법을 사용할 수 있지만, 모든 단백질을 형광물질로 균일하게 표지해야하는 문제점이 있다. 또한 질량분석 기술의 경우 미지 시료를 분석할 수 있다는 장점이 있으나 고가의 장비가 필요하며, 다수의 시료를 초고속으로 분석하기 어렵다는 단점이 있다. 따라서 표식자를 사용하지 않고 실시간으로 다수의 시료를 고감도로 분석할 수 있는 단백질 칩 분석기술인 표면 플라즈몬 공명 시스템이 유용하게 사용되고 있다.
한편, 종래 기술에 의해 SPR 현상을 측정하는 방식은 각도 분해형 SPR 시스템과 파장 분해형 SPR 시스템이 주로 사용되고 있다. 각도 분해형 SPR 시스템은 입사각에 대해 반사도가 최소가 되는 공명각을 찾는 방식이며, 측정시료의 굴절률에 따라 공명각이 변화하는 것을 측정한다. 파장 분해형 SPR 시스템은 각 매질이 갖는 굴절률의 파장 의존성을 이용하여 주어진 입사각에 대해 광의 파장을 변화시키는 가운데 공명파장을 찾는 방식이다.
따라서, 종래 기술에 의한 각도 분해형 SPR 시스템은 각도 조절을 위해 시스템을 움직여야 하는 단점이 있으며 파장 분해형 SPR 시스템은 각도분해 SPR에 비해 낮은 감도를 가진 것으로 알려져 있다. 따라서, 고가의 기계적인 장치를 필요로 하므로 제작비가 고가인 문제점이 있었고, 휴대가 쉽지 않으며, 측정 시간이 오래 걸리는 단점들이 있었다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 시스템을 움직이지 않거나 또는 단순한 전환 방식으로 넓은 입사각 범위를 확보함으로써, 입사각 조절을 위한 기계적 시스템 없이 각도분해와 파장분해가 동시에 가능한 SPR 시스템을 구성하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 입사각 조절을 위한 시스템의 움직임 없이 시스템을 고정화함으로써 실시간 측정이 가능하고 복수의 물질도 한 번에 측정할 수 있는 향상되고 단순화된 SPR 시스템을 제공하여, 저가의 실시간 (고속) SPR 검출 방법 을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 기존의 스캔을 위한 기계적인 부분을 제거함으로써 실제 사용가능한 휴대형 SPR 장치로서 역할을 하는 것이다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 기술적 수단으로서 본 발명의 제 1측면은 단색 또는 다색 스펙트럼을 갖는 광원부; 상기 광원부를 통해 진행하는 광의 입사각 범위를 넓게 하는 광여기용 광학부; 표면에 표면 플라즈몬 공명(SPR)을 발생하도록 하는 금속층을 포함하는 연결 구조물이 구비되며, 상기 광여기용 광학부를 통과한 광이 전반사가 일어나도록 하는 프리즘; 상기 프리즘에서 전반사되어 나오는 빛을 수집하는 수광용 광학부; 및 상기 수집된 광을 이용하여 이미지를 얻기 위한 이미지 광검출부를 구비하되,
상기 광여기용 광학부는 렌즈를 포함하고, 상기 렌즈의 직경은 렌즈를 통해 입사되는 빔 프로파일을 모두 포함할 수 있는 직경 이상이며, 상기 렌즈의 초점거리는 프리즘의 반경 보다는 크게 형성하여 상기 광이 입사되도록 하여, 상기 이미지 광검출부에 의해 각도 분해와 파장 분해가 된 2차원 SRP 이미지를 얻는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 센싱 시스템을 제공한다.
한편, 파장 분산 정보를 얻기 위하여, 프리즘을 통해서 나온 다중 파장 신호는 회절 및 굴절 방식 등을 이용한 파장분광부을 이용하여 파장 분산이 되게 하고, 프리즘과 수광용 광학부 사이 또는 수광용 광학부와 이미지 광검출부 사이에 파장분광부를 더 구비한다.
본 발명으로 구축된 SPR 시스템의 각도 및 파장에 대한 정보는 각도 및 파장 필터를 적절히 사용하여 캘리브레이션 (calibration)함으로써, 얻은 2차원 SPR 이미지에 대한 각도 및 파장에 대한 정확한 정보를 얻을 수 있어 정량적인 정보를 얻게 된다.
본 발명의 제 2측면은 다색 스펙트럼(다중 파장)을 갖는 광원부; 상기 광원부를 통해 진행하는 광의 입사각 범위를 넓게 하는 광여기용 광학부; 표면에 표면 플라즈몬 공명(SPR)을 발생하도록 하는 금속층을 포함하는 연결 구조물이 구비되며, 상기 광여기용 광학부를 통과한 광이 전반사가 일어나도록 하는 프리즘; 상기 프리즘에서 전반사되어 나오는 빛을 수집하는 수광용 광학부; 및 상기 수집된 광을 이용하여 이미지를 얻기 위한 이미지 광검출부를 구비하되,
파장 분산을 얻기 위한 또 다른 방법으로, 프리즘(40) 상부 또는 측면에 적절한 방향으로 회절 격자 구조의 패턴을 형성하거나 부착함으로써, 프리즘 자체 만으로 각도 분산 뿐만 아니라 파장 분산이 동시에 이루어지도록 한다. 이 경우, 프리즘에서 파장 분산이 이루어지는 방향을 각도 분산이 이루어지는 방향과 서로 수직으로 되도록 회절 패턴을 형성하거나 부착함으로써, 각도와 파장 두 가지 정보가 서로 중첩되지 않도록 하는 것이 바람직하다.
상기 이미지 광검출부에 의해 각도 분해와 파장 분해가 된 2차원 SRP 이미 지를 얻는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 센싱 시스템을 제공한다.
본 발명의 제3 측면은 단색 또는 다색 스펙트럼을 갖는 광원부; 상기 광원부를 통해 진행하는 광의 입사각 범위를 넓게 하는 광여기용 광학부; 표면에 표면 플라즈몬 공명(SPR)을 발생하도록 하는 금속층을 포함하는 연결 구조물이 구비되며, 상기 광여기용 광학부를 통과한 광이 전반사가 일어나도록 하는 프리즘; 상기 프리즘에서 전반사되어 나오는 빛을 수집하는 수광용 광학부; 및 상기 수집된 광을 이용하여 이미지를 얻기 위한 이미지 광검출부를 구비하되, 상기 프리즘 위에 반응 물질을 배열 구조로 정렬하고, 상기 광원부가 다중 파장 광원인 경우, 프리즘을 통해 나온 신호를 단일 파장 투과 필터를 이용하거나, 상기 광원부가 단일 파장 광원임으로써,
상기 이미지 광검출부에 의해 각도 분해와 공간 분해가 된 2차원 SRP 이미지를 얻는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 센싱 시스템을 제공한다.
본 발명의 제4 측면은 다색 스펙트럼을 갖는 광원부; 상기 광원부를 통해 진행하는 광의 입사각 범위를 넓게 하는 광여기용 광학부; 표면에 표면 플라즈몬 공명(SPR)을 발생하도록 하는 금속층을 포함하는 연결 구조물이 구비되며, 상기 광여기용 광학부를 통과한 광이 전반사가 일어나도록 하는 프리즘; 상기 프리즘에서 전반사되어 나오는 빛을 수집하는 수광용 광학부; 및 상기 수집된 광을 이용하여 이미지를 얻기 위한 이미지 광검출부를 구비하되, 상기 프리즘 위에 반응 물질 을 배열 구조로 정렬하여 색깔 띠의 색 좌표를 이용하여 파장 분해 정보를 얻고, 일 축은 각도 축, 다른 한 축은 공간에 대한 이미지를 얻어, 각도 분해 정보와 파장 분해 정보, 및 공간적인 이미지 정보를 동시에 얻을 수 있는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 센싱 시스템을 제공한다.
본 발명에서 사용하는 프리즘은 보다 넓은 각도를 얻기 위해 반원통형 프리즘이 바람직하나, 본 발명은 프리즘 모양에 제한받지 않으며, 다양한 모양의 프리즘을 대체하여 사용할 수 있다. 또한 광여기용 또는 수광용으로 사용하는 렌즈 모양은 반원통형 프리즘을 사용하는 경우 실린더 형태의 렌즈를 사용하는 것이 바람직하나, 본 발명은 렌즈 모양에 제한받지 않으며, 다양한 모양의 렌즈를 대체하여 사용할 수 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 SPR 시스템과 활용을 상세히 설명한다.
(제1 실시예)
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 SPR 분석 시스템을 도시한 개략적인 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 SPR 분석 시스템(100)은 단색 또는 다색 스펙트럼을 갖는 광원부(10)와, 입사각 범위를 넓게 하는 광여기용 광학부(30)와, 전 반사가 일어나도록 하는 반원통형 프리즘(40)과, 전반사되어 나오는 빛을 수집하는 수광용 광학부(50)와, 2차원 이미지를 얻기 위한 이미지 광검출부(60)를 구비한다.
반원통형 프리즘(40) 위에서는 표면 플라즈몬 공명 (SPR)을 발생하도록 하는 금속층(44b)을 포함하는 연결 구조물(44)이 형성되어 있다.
광원부(10)는 단색 레이저 광원 뿐 만 아니라, 백색 램프나 발광 다이오드(LED; Light Emitting Diode)와 같은 넓은 스펙트럼을 갖는 광원(12)과 빔익스텐더(14)를 구비할 수 있다. 특히 백색 LED의 경우, 수명이 길고 가격이 저렴하므로 저가의 SPR 시스템 구축에 유리하다.
한편, SPR 분석 시스템(100)을 고정시킨 상태에서 다양한 물질에 대한 표면 플라즈몬 공명(SPR) 신호를 검출하기 위해서는 1번에 감지할 수 있는 입사각의 범위를 높여 주는 것이 바람직하다. 따라서, 광여기용 광학부(30)에서 입사각의 범위를 넓게 하기 위하여 렌즈의 직경을 가능한 최대로 하면서 초점 거리를 최소가 되게 하여 개구수 (NA: Numerical Aperture)를 높여주는 방법을 사용한다.
광여기용 광학부(30)는 입사광의 넓은 입사각 범위를 확보하는 것이 바람직하다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 플라즈몬 공명 센싱 시스템에서, 입사각의 최대 각도를 얻기 위해 렌즈의 초점거리, 빔 크기, 개구수와 입사각의 범위를 나타낸다. 도 3을 참조하면, 입사광의 입사각 범위는 렌즈의 초점거리와 렌즈의 직경에 의해서 결정되는데 렌즈의 직경을 최대, 초점거리를 최소로 하여 개구수를 높여주는 것이 큰 입사각 범위를 갖게 할 수 있다. 광여기부(30)는 슬 릿(132,134)에 의해 둘러쌓인 형태를 갖도록 구성할 수 있다.
또한, 표면 플라즈몬을 여기 시키는데 사용되는 프리즘의 형태와 굴절률이 입사각의 범위와 표면 플라즈몬 공명(SPR) 각도에 영향을 주므로, 프리즘 내부에서의 실질적인 입사각 범위를 최대로 하기 위한 고려가 중요한다. 따라서, 기존의 삼각형 모양의 프리즘(90°bending prism) 대신에 반원통형 프리즘(plano-cylindrical prism)을 사용하고, 굴절률 BK7 (n~1.51) 재질의 프리즘 대신에 보다 굴절률이 높은 SF10 (n~1.72), 사파이어 (n~1.76), 고밀도유리 (n~1.89), 다이아몬드 (n~2.42), (Al)GaN (n~2.0-2.6) 등의 프리즘을 사용하는 것이 프리즘 내부에서 실질적인 입사각 범위를 최대로 할 수 있다.
따라서, 입사각의 범위를 넓히기 위해서는 렌즈의 직경은 렌즈를 통해 입사되는 빔 프로파일을 모두 포함할 수 있는 직경 이상인 것이 바람직하고, 렌즈의 초점거리(f)는 가능한 작게 하되 반원통형 프리즘(40)의 반경 보다는 크게 형성하는 것이 바람직하다. 반원통형 프리즘(40)의 반경 보다 렌즈의 초점거리가 더 작을 경우 반원통형 프리즘에서 초점을 형성할 수 없게 되기 때문이다.
일반적으로 프리즘을 사용하는 경우(예: 삼각형, 사각형 프리즘)에 프리즘 외부(예: 공기)에서 얻을 수 있는 입사각의 범위보다 프리즘 내부에서 얻을 수 있는 입사각의 범위가 좁게 되는데, 반원통형 프리즘은 빛이 프리즘 면에 수직으로 입사하므로 빛의 굴절에 의한 변형이 없이 공기 중 입사각 범위를 프리즘 내 입사각 범위로 사용하게 되므로 각도 포함 범위를 높일 수 있는 형태이므로 입사광의 범위를 넓힌다. 바람직하게는, 입사각의 범위가 6°이상이고, 더욱 바람직하게 는, 30°이상인 경우 본 발명은 더욱 효과적이다. 예를 들어, 물(n=1.33)과 아세톤(n=1.36)을 비교하기 위한 측정 대상으로 한 경우, 가시광 영역을 모두 포함하는 파장분해 정보를 갖는 SPR 신호를 얻기 위해서는 약 6°내외의 입사각 범위가 필요하다. 한편, 물(n=1.33)과 공기(n=1.0)를 비교하기 위한 측정 대상으로 한 경우에는, 가시광 영역을 모두 포함하는 파장분해 정보를 갖는 SPR 신호를 얻기 위해서는 약 30°내외의 입사각 범위가 필요하다. 따라서, 보다 굴절률 차이가 큰 측정 대상들에 대한 SPR 신호를 동시에 비교하는 경우에는 보다 넓은 입사각 범위를 확보할 필요가 있다.
또한 높은 굴절률을 갖는 재질(예: SF10, n=1.72)의 프리즘은 굴절률이 낮은 재질(예: BK7, n=1.51)의 프리즘에 비해 매질의 표면 플라즈몬 공명(SPR)이 일어나는 각도를 낮은 각도 쪽으로 이동하게 한다. 따라서, 굴절률이 낮은 프리즘을 사용할 경우의 표면 플라즈몬 공명(SPR)이 일어나는 각도가 높아 측정이 어려운 물질들도 굴절률이 높은 프리즘을 사용하여 측정할 수 있게 된다. 특히, 굴절률이 높은 프리즘을 사용하는 경우 굴절률 차이가 큰 측정 대상들에 대한 SPR 각도의 차이가 줄어들게 되므로, 2가지 이상의 측정 대상들을 동시에 측정하는 데에 요구되는 입사각의 범위를 작게 할 수 있게 된다.
한편, 반원통형 프리즘 위에서 표면 플라즈몬 공명 (SPR)을 발생하도록 하는 금속층을 포함하는 연결 구조물(44)을 형성하되, 프리즘과 동일한 재질을 갖는 커버 글래스(44a, cover glass)(예: SF10) 위에 열증착 (thermal evaporation) 방법으로 바인딩 금속층(44b, binding layer) Ti 2nm를 증착 후, Au 50nm 증착을 하 고, 프리즘 및 커버 글래스와 같은 굴절률을 갖는 인덱스 매칭 유체(index matching liquid) (예: n=1.72)를 사용하여 프리즘에 접착시킨다. 이 위에 측정을 원하는 반응 물질 (예: 물, 에탄올, 바이오 물질 등)을 올리고 SPR 신호의 특성 변화를 감지한다.
광원부(10)에 다중 파장 광원을 사용하는 경우, 프리즘을 통해서 나온 다중 파장 신호는 회절 격자 등의 파장분광부 이용하여 파장 분산이 되게 한다. 프리즘(40)과 수광용 광학부(50) 사이 또는 수광용 광학부(50)와 이미지 광검출부(60) 사이에 파장분광부(170)를 더 구비한다.
파장 분산을 얻기 위한 다른 방법으로는 프리즘(40) 상부 또는 측면에 적절한 방향으로 회절 격자 구조의 패턴을 형성하거나 부착함으로써, 프리즘 자체 만으로 각도 분산 뿐만 아니라 파장 분산이 동시에 이루어지도록 할 수 있다. 이 경우, 프리즘에서 파장 분산이 이루어지는 방향을 각도 분산이 이루어지는 방향과 서로 수직으로 되도록 회절 패턴을 형성하거나 부착함으로써, 각도와 파장 두 가지 정보가 서로 중첩되지 않도록 하는 것이 바람직하다.
표면 플라즈몬 공명 센싱 시스템에서는 원하는 부분의 이미지를 Charge Coupled Device (CCD) 카메라 등으로 측정하여 컴퓨터로 모니터링 하게 된다. 이 때, 얻은 2차원 이미지의 한 축은 각도 축이 되고 다른 한 축은 파장 축이 된다.
본 발명에 의하면, 30°이상의 큰 입사각 범위를 확보할 수 있었으며, 굴절률 차이가 큰 두 물질(예: 공기와 물)에 대한 SPR 신호를 시스템의 움직임이 없이도 검출할 수 있다. 한편, 얻을 수 있는 입사각 보다 더 큰 입사각을 측정할 필 요가 있는 경우, 몇 단계의 단순한 중심 입사각도의 움직임 만으로 입사각 각도 범위를 크게 조절할 수도 있다.
따라서, 상술한 구성에 의하면 본 발명은 각도 및 파장에 대한 SPR 정보를 획득할 수 있다. 본 발명으로 구축된 SPR 시스템을 이용하여 얻은 각도 및 파장에 대한 SPR 정보는 각도 및 파장 필터를 적절히 사용하여 캘리브레이션을 함으로써 얻은 2차원 SPR 이미지에 대한 각도 및 파장에 대한 정확한 정보를 얻을 수 있어 정량적인 정보를 얻게 된다. 바람직하게는, 각도에 대한 캘리브레이션은 반원통형 프리즘(40)에 각도 필터(42)를 부착하여, 각 각도에 해당하는 눈금에서 빔(beam)을 cut-off시키는 방법으로 캘리브레이션할 수 있다. 파장에 대한 캘리브레이션은 알려진 파장 필터(wavelength cut-off filter)를 사용하여 파장 축을 캘리브레이션할 수 있다.
한편, 표면 플라즈몬 공명(SPR)은 P 편광된 빛에 의해 주로 반응하므로 필요시 P 편광된 빛을 통과시키기 위한 편광부(120)를 삽입하는 것이 바람직하다.
(단일 파장에 대한 각도 정보와 공간적인 이미지 정보 추출)
한편, ⅰ) 광원부에 다중 파장 광원을 사용하면서 프리즘을 통과하기 이전 또는 이후에 나온 신호를 단일 파장 투과 필터를 이용하거나, ⅱ) 회절격자나 필터를 사용하지 않고 단일 파장 광원을 사용하여 각도에 대한 분해 이미지 만을 얻을 수 있다. 이때 한 축은 각도 축이 되고 다른 한 축은 공간에 대한 이미지를 얻게 된다. 따라서, 프리즘 위에 여러 가지 반응 물질을 배열 구조로 정렬(예: microarray)하거나 움직이게 한 상태(예: micro-fluidic system)에서 SRP 검출 이미지를 얻으면, 배열 구조로 정렬된 여러 가지 반응 물질의 단일 파장에 대한 각도 정보와 공간적인 이미지 정보를 얻게 된다.
(각도 분해 정보, 파장 분해 정보 ,및 공간적인 이미지 정보의 추출)
한편, 광원부에 다중 파장 광원을 사용하면서 프리즘을 통해 나온 신호를 회절격자 등을 이용하여 파장 분산을 시키지 않고도 이미지에서 얻은 색 좌표를 사용하여 파장 분해 정보를 얻을 수 있다. 반응 물질 군에 대하여 파장 분해 정보를 얻은 후에 파장을 분해시키지 않은 상태에서의 색 좌표를 얻을 수 있는데, 역으로 이렇게 얻은 색 좌표 정보 만으로 파장 분해 정보를 얻을 수 있다. 예를 들어, 특정 측정 대상(공기, 물 등)에 대하여 상술한 파장 분해 및 각도 분해 2차원 SPR 이미지를 얻으면 (예: 도8 또는 도11), 가시광 영역에서 각 파장에 따라 특정 각도 위치에서 SPR로 인한 검은 선이 생기게 된다. 이 때, 파장 분광을 하지 않은 상태에서 각도 분해 SPR 이미지를 보게 되면, 특정 각도에서의 SPR로 나타나지 않는 색깔로 인해 고유의 색좌표를 갖는 1차원 색 띠를 얻게 된다. 각 물질에 따라 이러한 색 띠가 갖는 색 좌표 정보를 얻게 되면, 역으로 파장 분광을 하지 않고도 파장 분해 정보를 얻게 된다. 따라서, 회절 격자 등을 사용하여 파장 분해를 하지 않고도, 색깔 띠의 색 좌표를 이용하여 파장 분해 정보를 얻고 다른 한 축은 각도 축을 형성하게 된다.
따라서, 파장 분해를 하지 않음으로서 얻게 되는 다른 한 축은 대신 공간에 대한 이미지를 얻을 수 있게 되므로, 프리즘 위에 여러 가지 반응 물질을 배열 구조로 정렬(예: microarray)하거나 움직이게 한 상태(예: micro-fluidic system)에서 SRP 검출 이미지를 얻을 수 있다. 이 경우, 다중 파장에 대한 파장 분해 정보를 색 좌표로부터 얻을 수 있으므로, 각도 분해 정보와 파장 분해 정보, 그리고 나머지 공간적인 이미지 정보를 동시에 얻을 수 있다.
(실험예)
He-Ne Laser (632.8 nm)를 사용하여 단일 파장에 대한 공기와 물의 SPR 이미지를 측정하였다. SPR 이미지 측정을 위한 시스템은 크게 광입사부, 표면 플라즈몬 여기부, 광검출부로 구성되어 있는데, 광입사부는 여기광원인 He-Ne Laser (632.8 nm), 편광기(polarizer), 포커스 렌즈(focus lens)를 통해 빛이 입사하는 부분이다. P편광에 의해서만 표면 플라즈몬 공명에 의한 흡수가 발생하므로 편광판(polarizer)을 사용하여 P편광된 빛 만 입사하도록 하였고, 금속 표면에서 단순 반사를 하는 S편광은 SPR에 의해 흡수되어 감소된 광량을 측정하는 SPR 시스템에서 기준 빔(reference beam)으로 작용하여 감도를 떨어뜨릴 수 있으므로 제거하였다.
렌즈로 빔(beam)을 포커스(focus)시킴으로써 여러 입사각을 포함하는 빔(beam)이 입사하게 하였다. 표면 플라즈몬 여기부는 BK7 (n=1.51) 90°벤딩 프리즘(bending prism)과 BK7 (n=1.51) 커버 글래스(cover glass)위에 증착된 Au(50 nm)를 인덱스 매칭 유체(index matching liquid)인 이머젼 오일(immersion oil) (n=1.51)로 부착시킨 Kretschmann-configuration법을 사용하였다. 광검출부에서 반사빔을 렌즈 세트(lens set)로 포커스 시켜 스크린(screen)에 맺힌 이미지를 디지털 카메라로 측정하였다.
한편, 단일파장 각도 분해형 SPR 측정에 이어 각도분해와 파장분해형 SPR 이미지를 측정할 수 있는 시스템을 구성하였다. 광 입사부에서 표면 플라즈몬을 여기 시킬 광원으로 여러 파장을 포함한 백색 광원(White LED)을 광원(light source)으로 사용하였고, 슬릿(slit)을 통과시키고, P편광에 의해서만 표면 플라즈몬 공명에 의한 흡수가 발생하므로 편광기(polarizer)를 사용하여 P편광된 빛 만 입사하도록 하였고, 하이 포커스 렌즈(high focus lens) (focus length : 38 mm)를 사용하여 빛을 콘(corn)형태로 입사시켜 여러 입사각을 포함하는 빔이 입사하도록 하였다. 입사광은 빔 직경(beam diameter)이 20 mm이고, 렌즈 초점 거리(lens focus length)가 38 mm인 렌즈를 통과하여 공기 중 입사각 30°를 갖는다. 표면 플라즈몬 여기부는 BK7 (n=1.51) 90°벤딩 프리즘(bending prism)과 BK7 (n=1.51) 커버 글래스(cover glass)위에 증착된 Au (50 nm)를 인덱스 매칭 유체(index matching liquid)인 이머젼 오일(immersion oil)(n=1.51)로 부착시킨 Kretschmann-configuration법을 사용하였다. 90°벤딩 프리즘(bending prism)의 경우 공기 상태에서 30°내외의 입사각 범위를 갖는 빔을 입사시켰고, 프리즘 내에서 표면 플라즈몬이 일어나는 면에 대한 실제 입사각은 20°내외의 입사각범위를 갖는다. 광검출부에서 반사빔을 렌즈 세트(lens set)로 포커스시킨 후 투과형 회절 분광기(transmission grating)를 이용하여 파장분산이 되게 하였다. 이 이미지를 Charge Coupled Device (CCD)에서 측정하여 컴퓨터로 모니터링 하게 하였다. 이로서 각도축과 파장축을 가지는 2차원 SPR image를 측정할 수 있는 시스템을 구성하였다. 도 4는 본 발명의 일 실험예를 적용한 블록도이고, 도 5는 도 4의 실제 구현 사진이다.
광여기부에서 입사광의 넓은 입사각 범위를 확보하였다. 렌즈 포커스 방식으로 콘 형태의 빔을 입사시켜 여러 입사각을 포함하는 방법에서 입사각 범위는 렌즈의 직경과 포커스 길이에 의해 결정되는데 직경을 최대, 초점 거리를 최소가 되게 하여 개구수(NA)를 높여 주는 것이 입사각 범위를 크게 할 수 있다. 이 실험에서는 빔 직경 20mm, 렌즈의 초점 거리를 38mm로 약 30도의 입사각 범위를 확보함으로써 큰 입사각 범위를 갖게 하였다.
도 6은 본 발명의 실시예에서, 각도 캘리브레이션 방법을 설명하기 위한 도면이다. 각도 캘리브레이션은 입사각 필터를 만들어 각도 캘리브레이션(calibration)을 하였다. 반원통형 프리즘에 각도 눈금표를 부착하여, 각 각도에 해당하는 눈금에서 빔을 컷-오프(cut-off)시키는 방법으로 캘리브레이션을 하였다. 입사각은 37°-67°의 측정범위를 가지며 40°, 45°, 50°, 55°, 60°, 65°에 대하여 캘리브레이션하였다. 파장 캘리브레이션은 파장 필터(wavelength cut-off filter)를 사용하여 파장축을 캘리브레이션하였다. 632.8 nm 필터와 540 nm 필터로 캘리브레이션하였다.
도 7은 He-Ne laser (632.8 nm)를 여기광원으로 디지털카메라로 측정한 공기와 물의 SPR 이미지이다. 단일 파장 각도분해 SPR 이미지에서 본 실험에서 구성한 SPR 시스템으로 각도분해 SPR 현상이 관측되는 것을 볼 수 있고, 따라서 표면 플라즈몬을 여기 시킬 수 있도록 SPR 시스템이 잘 구성되었음을 확인 할 수 있다. 도 5의 이미지의 가로축이 각도 축으로 광원인 레이저빔이 특정 각도에서 프리즘과 금 박막으로 전파되는 표면 플라즈몬 파와 공명을 일으켜 표면 플라즈몬을 여기시키기 때문에 전반사 영역에서 반사되지 않은 부분인 검은 부분이 나타나는 것을 볼 수 있다. 이 검은 흡수 부분이 직선으로 나타나 각도축의 왜곡 없이 SPR 시스템이 잘 구성된 것을 알 수 있다.
도 8은 백색 광원과 슬릿(slit), 회절 분광 격자(diffraction grating)을 사용하여 파장축 분해가 더해진 각도분해와 파장분해형 표면 플라즈몬 공명 시스템으로 공기의 표면 플라즈몬 공명 분산곡선을 포함한 SPR 이미지를 관찰한 사진이다.
본 실험에 의해, 프리즘의 형태와 굴절률이 SPR이 여기되는 각도와 입사빔의 입사각을 조절하는 데 중요한 요소가 되는 것을 확인하였다. 표면 플라즈몬 공명조건에서
Figure 112007008282258-pat00001
(
Figure 112007008282258-pat00002
는 입사광의 주파수, ks는 시료 내를 전차하는 입사 광의 파수벡터, np는 유전체 매질의 굴절률, θ는 광의 입사각)이므로
Figure 112007008282258-pat00003
에서 프리즘의 굴절률 np가 높을수록 sinθ가 작아지게 되는 것을 알 수 있다. 프리즘의 굴절률을 1.51에서 1.72로 높임으로 인해 SPR이 일어나는 각도를 (632.8nm 파장을 기준으로 하여) 공기를 44.5ㅀ에서 37.4°로, 물을 74.5°에서 58°로 낮출 수 있다. 따라서, 프리즘의 굴절률을 높임으로서 두 측정 대상 사이의 SPR이 일어나는 각도의 차이 또한 줄어듬을 알 수 있다.
또한 90°벤딩 프리즘(bending prism)은 공기와 프리즘의 굴절률의 차이로 인하여 공기 중 입사각과 프리즘 내부의 실제 입사각이 차이가 나는데, 공기 중 입사각 범위보다 실제 입사각 범위가 줄어드는 것을 알 수 있다. 90°벤딩 프리즘(bending prism)의 경우 공기 상태에서 30°의 입사각 범위를 갖는 빔을 입사시켰고, 20°의 입사각 범위를 갖는다. 반면, 반원통형 프리즘 (plano-cylindrical prism)을 사용하였을 경우는 공기 중의 입사각이 프리즘 내에서도 변화 없이 진행함으로써 30°의 입사각 범위를 갖게 되고, 따라서 프리즘의 형태를 plano-cylindrical prism로 하였을 때 입사각 범위를 높일 수 있다.
도 9는 입사각이 37°-67°의 측정범위를 가지며 40°, 45°, 50°, 55°, 60°, 65°에 대하여 캘리브레이션한 이미지이고, 도 10은 540 nm, 632.8 nm에서 cut-off된 이미지로 파장 캘리브레이션을 한 결과이다.
한편, 렌즈 초점을 통한 공기 중 입사각을 30°로 확보하고, 프리즘의 형태를 프리즘 내부에서 입사각 범위를 가장 크게 할 수 있는 최적의 plano-cylindrical 형태로 하며, SPR 공명 각을 낮출 수 있는 방법으로써 프리즘의 굴절률을 증가시킴으로써 한 화면에서 시스템의 움직임 없이 공기와 물의 SPR 이미지를 측정하였다. 공기와 물에 대하여 얻은 각도분해와 파장분해 SPR 이미지를 볼 때, 632.8 nm 파장에 대해서 공기는 38.5°, 물은 61°로 나타나 알려진 공기 37.4°와 물 57.5°와 비교하여 각각 1.1°, 3.5°차이로 거의 일치하는 결과를 얻었다.
도 11a 및 도 11b는 넓은 각도분해와 파장분해에 의한 공기와 물의 SPR 이미지들이다.
이상 바람직한 실시예에 근거하여 본 발명을 설명하였지만, 이러한 실시예는 본 발명을 제한하려는 것이 아니라 예시하는 것이다. 본 발명이 속하는 분야의 통상의 기술자에게는 본 발명의 기술사상을 벗어남이 없이 전술한 실시예에 대한 다양한 변경이나 조절 등이 가능할 것이다. 그러므로, 본 발명의 보호범위는 후술하는 청구범위에 의해서만 한정될 것이며, 전술한 실시예에 의하여 제한적으로 해석되어서는 안 될 것이다.
본 발명은 다음과 같은 효과가 있다.
(1) 종래의 SPR 검출 방법에 따른 제한점을 해결하고, 각도 분해와 파장 분해 정보를 동시에 얻을 수 있으며, 시스템을 전혀 움직이지 않거나 또는 단순한 전환 방식으로 넓은 입사각을 확보함으로써 굴절률 차이가 큰 물질들의 SPR 분산 특성 이미지를 실시간으로 동시에 검출할 수 있는 방법을 제공할 수 있다.
(2) 본 발명에 의하면, 기존의 각도 분해 SPR 또는 파장 분해 SPR 시스템들이 각각 입사각 및 파장 조절을 위하여 기계적으로 스캔하여 움직이는 것과 비교하여, 시스템을 고정시킨 상태에서 각도 분해와 파장 분해 SPR 정보를 한꺼번에 측정할 수 있게 된다.
(3) 기존의 스캔 방식의 SPR 검출 방식에서 기계적인 부분을 제거할 수 있게 되므로 단순화된 저가의 SPR 검출 방법을 제공할 수 있게 되고, 측정 시간을 단축하며 기계적인 오류를 제거한 센싱 방법을 제공하게 된다. 따라서, 복수의 물질에 대해서도 실시간으로 정확한 SPR 검출이 가능한 방법을 제공하게 된다.
(4) 각도 분해 및 파장 분해 정보를 얻으면서도 공간적인 SPR 신호 정보를 얻을 수 있으므로, 실시간 SPR 이미징으로 다수의 반응 물질을 실시간으로 검출하는 방법을 제공한다.

Claims (9)

  1. 단색 또는 다색 스펙트럼을 갖는 광원부;
    상기 광원부를 통해 진행하는 광의 입사각 범위를 넓게 하는 광여기용 광학부;
    표면에 표면 플라즈몬 공명(SPR)을 발생하도록 하는 금속층을 포함하는 연결 구조물이 구비되며, 상기 광여기용 광학부를 통과한 광이 전반사가 일어나도록 하는 반원통형 프리즘;
    상기 반원통형 프리즘에서 전반사되어 나오는 빛을 수집하는 수광용 광학부; 및
    상기 수집된 광을 이용하여 이미지를 얻기 위한 이미지 광검출부를 구비하되,
    상기 광여기용 광학부는 렌즈를 포함하고, 상기 렌즈의 직경은 상기 렌즈를 통해 입사되는 빔 프로파일을 모두 포함할 수 있는 직경 이상이며, 상기 렌즈의 초점거리는 반원통형 프리즘의 반경보다는 크게 형성하여 상기 광이 상기 이미지 광검출부에 입사되도록 하여,
    상기 이미지 광검출부에 의해 각도 분해와 파장 분해가 된 2차원 SPR 이미지를 얻는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 센싱 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 광원부와 상기 광여기용 광학부 사이에는 P 편광된 빛을 통과시키는 편광부를 더 구비하는 표면 플라즈몬 공명 센싱 시스템.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 반원통형 프리즘과 수광용 광학부 사이 또는 수광용 광학부와 상기 이미지 광검출부 사이에는 파장분광부를 더 구비하는 표면 플라즈몬 공명 센싱 시스템.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 반원통형 프리즘의 상부 또는 측면 방향으로 회절 격자 구조의 패턴을 형성하거나 부착함으로써, 상기 반원통형 프리즘 자체만으로 각도 분산뿐만 아니라 파장 분산이 동시에 이루어지도록 하는 표면 플라즈몬 공명 센싱 시스템.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 광원부는 화이트 LED, 가시광 영역의 다중 파장 광원, 또는 He-Ne 레이저와 빔 익스텐더를 구비하는 표면 플라즈몬 공명 센싱 시스템.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 반원통형 프리즘 표면 또는 시스템 내부에 각도 필터를 더 구비하는 표면 플라즈몬 공명 센싱 시스템.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 수광용 광학부는 2개의 렌즈와 그 사이에 게재된 파장 필터를 구비하는 표면 플라즈몬 공명 센싱 시스템.
  8. 삭제
  9. 다색 스펙트럼을 갖는 광원부;
    상기 광원부를 통해 진행하는 광의 입사각 범위를 넓게 하는 광여기용 광학부;
    표면에 표면 플라즈몬 공명(SPR)을 발생하도록 하는 금속층을 포함하는 연결 구조물이 구비되며, 상기 광여기용 광학부를 통과한 광이 전반사가 일어나도록 하는 프리즘;
    상기 프리즘에서 전반사되어 나오는 빛을 수집하는 수광용 광학부; 및
    상기 수집된 광을 이용하여 이미지를 얻기 위한 이미지 광검출부를 구비하되,
    상기 프리즘 위에 반응 물질을 배열 구조로 정렬하여 색깔 띠의 색 좌표를 이용하여 파장 분해 정보를 얻고,
    상기 색 좌표의 일 축은 각도 축, 다른 한 축은 공간에 대한 이미지를 얻어, 각도 분해 정보와 파장 분해 정보, 및 공간적인 이미지 정보를 동시에 얻을 수 있는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 센싱 시스템.
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