KR100989016B1 - 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 표면 플라즈몬 공명에 의한 반사광의 위상 전이를 측정하여 시료에 대한 생물학적 또는 화학적 변화를 감지 및 분석할 수 있는 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템은 기판, 접착층, 전도성 박막, 및 상기 전도성 박막 상부에 형성된 금속 나노 구조층이 순차적으로 적층된 센서부, 상기 센서부의 하부에 부착되고, 광원으로부터 입사된 제1광을 상기 센서부로 유도하여 상기 제1광에 대한 반사광인 제2광을 생성하도록 제어하는 광학 모듈부, 상기 광학 모듈부로 입사하는 상기 제1광을 분기하고, 상기 분기된 제1광 및 상기 제2광을 수집하여 간섭광을 생성하는 광전자 모듈부, 및 상기 간섭광으로부터 표면 플라즈몬 공명 흡수에 의한 위상 전이를 측정하는 수광부를 포함한다.
표면 플라즈몬 공명, SPR, 광전자, 위상 전이, 마흐젠더 간섭계

Description

표면 플라즈몬 공명 센서 시스템{SURFACE PLASMON RESONANCE SENSOR SYSTEM}
본 발명은 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 표면 플라즈몬 공명에 의한 반사광의 위상 전이를 측정하여 시료에 대한 생물학적 또는 화학적 변화를 감지 및 분석할 수 있는 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템은 금속 표면에 존재하는 표면 플라즈몬의 입사광에 대한 공명 흡수를 이용하여 시료의 생물학적 또는 화학적 변화를 감지 및 분석하는 데 이용된다.
종래의 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템은 표면 플라즈몬 공명 센서 상에 측정 대상이 되는 시료를 위치시키고, 광원으로부터 제공되는 광이 상기 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템의 기판에 대해 일정한 입사각으로 프리즘을 통해 입사되고, 금속 박막에 평행한 파수벡터(Wave vector) 성분이 상기 금속 박막의 표면과 그 표면 상에 위치하는 상기 시료의 경계면을 따라 요동하는 전자밀도, 즉, 표면 플라즈몬의 파수벡터와 일치할 때 입사광의 에너지는 표면 플라즈몬에 대부분 흡수된다. 이 때, 플라즈몬 장(Field)의 분포는 상기 금속박막의 계면과 상기 시료 사이의 양 쪽 방향으로 지수 함수적으로 감소된다. 따라서 금속박막의 표면에 맞닿아 있는 시료에 따라 표면 플라즈몬의 공명 흡수 조건이 변화되는데, 이 변화는 빛의 반사율(Reflectivity)을 변화시키므로 상기 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템의 수광부를 통해 변화되는 반사율을 측정함으로써 시료의 물리적 또는 화학적 량을 측정 및 분석할 수 있다.
이러한 종래의 시료의 물리적 또는 화학적 량을 측정하기 위한 상기 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템에서는 보다 안정적이고, 정교한 측정을 위한 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템이 요구되고 있다.
본 발명은 표면 플라즈몬 공명에 의한 반사광의 위상 전이를 측정하여 시료에 대한 생물학적 또는 화학적 변화를 감지 및 분석할 수 있는 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 금속 나노 구조체를 포함하는 센서부를 구비하는 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템을 제공하여 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템의 감도를 향상시키고자 한다.
상기의 목적을 이루고 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템은 기판, 접착층, 전도성 박막, 및 상기 전도성 박막 상부에 형성된 금속 나노 구조층이 순차적으로 적층된 센서부, 상기 센서부의 하부에 부착되고, 광원으로부터 입사된 제1광을 상기 센서부로 유도하여 상기 제1광에 대한 반사광인 제2광을 생성하도록 제어하는 광학 모듈부, 상기 광학 모듈부로 입사하는 상기 제1광을 분기하고, 상기 분기된 제1광 및 상기 제2광을 수집하여 간섭광을 생성하는 광전자 모듈부, 및 상기 간섭광으로부터 표면 플라즈몬 공명 흡수에 의한 위상 전이를 측정하는 수광부를 포함한다.
본 발명에 의하면 표면 플라즈몬 공명에 의한 반사광의 위상 전이를 측정하여 시료에 대한 생물학적 또는 화학적 변화를 감지 및 분석할 수 있는 표면 플라즈 몬 공명 센서 시스템이 제공된다.
또한, 본 발명에 의하면 금속 나노 구조체를 포함하는 센서부를 구비하는 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템을 제공하여 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템의 감도를 향상시킬 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템을 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템의 구성을 도시한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템(100)은 센서부(110), 광학 모듈부(120), 광전자 모듈부(130), 및 수광부(140)를 포함한다.
센서부(110)는 기판, 접착층, 전도성 박막, 및 상기 전도성 박막 상부에 형성된 금속 나노 구조층이 순차적으로 적층된다. 상기 접착층은 크롬(Cr) 또는 티타늄(Ti) 중 어느 하나로 이루어 질 수 있고, 상기 금속 나노 구조층은 금속 나노 와이어층 또는 금속 나노 튜브일 수 있다. 상기 금속 나노 구조층은 후술하듯이 센서부(110)의 민감도를 향상시킨다.
실시예에 따르면, 상기 전도성 박막 및 상기 금속 나노 구조층은 동일한 재질로 이루어 질 수 있다.
또한, 실시예에 따르면, 상기 전도성 박막은 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 구리(Cu), 또는 알루미늄(Al), 반도체 또는 이들의 혼합물 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
광학 모듈부(120)는 센서부(110)의 하부에 부착되고, 광원으로부터 입사된 제1광을 센서부(110)로 유도하여 상기 제1광에 대한 반사광인 제2광을 생성하도록 제어한다.
광전자 모듈부(130)는 광학 모듈부(120)로 입사하는 상기 제1광을 분기하고, 상기 분기된 제1광 및 상기 제2광을 수집하여 간섭광을 생성한다.
실시예에 따르면 광전자 모듈부(130)는 마흐젠더(Mach-Zehnder) 간섭계일 수 있다.
수광부(140)는 상기 간섭광으로부터 상기 표면 플라즈몬 공명 흡수에 의한 상기 간섭광의 위상 전이를 측정한다.
광전자 모듈부(130)는 상기 생성된 간섭광을 복수의 편광파로 분리하기 위한 편광파 분리부(도시되지 아니함)를 더 포함할 수 있고, 수광부(140)는 상기 분리된 복수의 편광파의 감지되는 시간 차이로부터 상기 위상 전이를 측정할 수 있다.
실시예에 따르면, 상기 편광파 분리부는 월라스톤(Woolaston) 프리즘, 노말 스키(Nomarski) 프리즘, 니콜(Nicol) 프리즘, 글랜-톰슨(Glan-Thompson) 프리즘, 글랜-푸우코(Glan-Foucault) 프리즘 중 어느 하나일 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템을 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템의 구성을 도시한 것이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 의한 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템(100)은 센서부(110), 광학 모듈부(120), 광전자 모듈부, 및 수광부(detector)(140)를 포함한다.
센서부(110)는 기판(도시되지 아니함), 접착층(111), 전도성 박막(112), 및 전도성 박막(112) 상부에 형성된 금속 나노 구조층(113)이 순차적으로 적층된다.
상기 기판은 광학 모듈부인 프리즘(120) 상단에 형성될 수 있고, 전도성 박막(112)을 고정하여 지지하는 역할을 한다. 프리즘(120) 및 상기 기판은 글래스 매칭 젤(Glass matching gel)과 같은 접합 수단을 이용하여 접합한다. 이는 프리즘(120)과 상기 기판 사이에 다른 매질(예를 들어, 공기)이 침투하여 내부로 입사하는 광의 불필요한 굴절을 방지하기 위함이다. 또한, 이러한 글래스 매칭 젤(Glass matching gel)과 같은 접합 수단은 프리즘(120) 및 상기 기판이 갖는 고유의 굴절률과 동일한 굴절률을 갖는 액체 성분일 수 있고, 상대적으로 밀도가 높은 성분이 포함될 수 있다.
상기 기판은 투명한 유전체 예컨대, 실리카(SiO2)와 같은 유리 기판이 주로 사용될 수 있고, 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템(100)의 기능과 특징에 따라 실리콘(Si) 기판이 사용될 수도 있다. 실시예에 따라서는 티타늄 산화물(TiO2), 탄탈륨 산화물(Ta2O5) 또는 알루미늄 산화물(Al2O5)과 같은 투명한 산화물들도 사용할 수 있다. 상기 기판은 입사광인 제1광이 전도성 박막(112)에 도달하기 용이한 투명 재질의 기판이 바람직하다.
접착층(111)은 크롬(Cr) 또는 티타늄(Ti) 중 어느 하나로 이루어 질 수 있고, 금속 나노 구조층(113)은 금속 나노 와이어층 또는 금속 나노 튜브일 수 있다. 접착층(111)은 상기 기판과 전도성 박막(112) 간의 접착력을 증가시키기 위한 것으로서, 1nm 내지 5nm 의 두께로 증착될 수 있다.
전도성 박막(112)은 접착층(111)의 상단에 형성될 수 있고, 표면 플라즈몬을 생성하기 위한 것으로서, 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 반도체 또는 이들의 혼합물로 이루어질 수 있다.
실시예에 따라서는 전도성 박막(112)은 40nm 내지 60 nm의 두께로 전자빔 진공증착 또는 열적 기상 증착 등의 진공 증착법을 통하여 형성될 수 있다.
도 2에서 금속 나노 구조층(113)은 금속 나노 와이어층으로 구성되어 있다.
실시예에 따르면, 상기 전도성 박막 및 상기 금속 나노 구조층은 동일한 재질로 이루어 질 수 있다.
상기 금속 나노 구조층은 10nm 의 두께(dg)와 300nm 정도의 피치(Λ)를 가지 는 금속 나노 와이어층(113)을 포함할 수 있다. 즉, 상기 금속 나노 구조층은 일렬로 배치된 복수의 금속 나노 와이어를 포함하고, 상기 복수의 금속 나노 와이어는 10nm 의 두께(dg)와 300nm의 피치로 구성될 수 있다. 상기 금속 나노 와이어의 두께는 수나노 내지 수십 나노의 범위, 상기 금속 나노 와이어의 피치는 50nm 내지 1㎛의 범위에서 구성될 수도 있다.
시료(도시되지 아니함)는 금속 나노 구조층(113) 상단에 형성될 수 있고, 생체 분자가 함유된 혈청과 같은 시료가 사용될 수 있다. 상기 시료는 금속 나노 구조층(113)의 표면에 맞닿아 있거나 고정화된 물질 예컨대, 특정 리간드에 선택적으로 결합하는 측정 대상물로 굴절률 변화를 측정하기 위한 산화물 박막, 엘비(LB:Langmuir-Boldgett) 필름, 단분자막(SAM:Self Assembled Monolayer), 단백질, 항원-항체, 세포, DNA 및 RNA와 같은 생화학 물질, 효소 또는 핵산 등 생체 분자가 사용될 수 있으며, 가스 또는 액체 분위기일 수 있다.
실시예에 따라서는, 상기 시료를 금속 나노 구조층(113) 상단에 증착시키는 방법은 단분자 박막을 형성하는데 주로 이용되는 자기조립법(SAM, self assembled monolayer) 또는 고정화 기술을 사용할 수 있다. 상기 자기조립법이란 반응시키고자 하는 시료(16)의 수용체를 용매에 녹여 금속 나노 구조체(113) 상단으로 흘려 보내 금속 나노 구조체의 표면에 단일 분자의 박막 층을 형성시키고, 그 이후 금속 나노 구조체 표면 상단에 반응시키고자 하는 상기 시료를 접촉시켜 수용체와 시료를 결합 반응시키는 것이다. 이때, 결합 정도에 따라 금속 표면의 굴절률의 변화가 달라져 결국 공명 조건이 바뀌게 된다.
본 발명에 따른 광원(135)은 센서부(110)로 입사광을 제공하는 것으로서, 광원(135)은 단 파장 또는 다중 파장을 갖는 광을 제공하는 TM(Transverse Magnetic) 또는 P-편광된 단색 광원, 다중 파장 대역의 백색 광원, 텅스텐-할로겐 램프(QTH lamp), 레이저 다이오드(LD), 발광 다이오드(LED) 중 어느 하나가 사용될 수 있고, 이들로부터 제공되는 광은 광전자 모듈부를 통하여 광학 모듈부인 프리즘(120)으로 입사되거나 빔스프릿터(beam splitter)(131)에 의해 분기되어 소정의 경로를 통하여 수광부(140)에 유도될 수 있다.
실시예에 따라 상기 광전자 모듈부가 마흐젠터 간섭계일 경우, 광원(135)은 He-Ne 레이저일 수 있다.
광학 모듈부(120)는 센서부(110)의 접착층(111) 하부에 부착되는데, 도 2에서는 BK7, SF10, SF11, LaSF 또는 N9 과 같은 굴절률이 높은 투명 매질로 이루어진 프리즘(120)일 수 있다. 프리즘(120)은 삼각형, 반구형, 평행사변형, 역사다리꼴, 또는 반 원통형의 형태를 포함할 수 있다. 프리즘(120)은 광원(135)으로부터 입사된 제1광을 센서부(110)로 유도하여 표면 플라즈몬 공명 흡수에 의한 제2광을 생성하도록 제어한다.
수광부(140)는 분리된 복수의 편광파의 감지되는 시간 차이로부터 위상 전이를 측정하기 위한 것이다.
이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템(100)의 위상 전이의 측정 및 분석과정을 상세히 설명하기로 한다.
우선, 광원(135)으로부터 나온 제1광은 빔스프릿터(131)를 통하여 광학 모듈 부인 프리즘(120)과 분기된 제1광으로 분리된다.
이 경우, 광원(135)의 제1광은 TM(Transverse Magnetic) 편광파와 TE(Transverse Electric) 편광파가 소정의 비율(바람직하게는 50%)로 구성될 수 있도록 빔스프릿터(131)에 45도 방향으로 기울여서 입사될 수 있다.
상기 제1광 및 분기된 제1광은 센서부(110) 기판에 의한 반사광인 제2광과 일정한 주파수(frequency)로 동조화 된 반사광의 성질을 갖게 된다. 상기 분기된 제1광과 상기 제2광은 빔스프릿터(133)을 통하여 동일한 경로로 유도되면서 간섭 현상이 발생 하게 된다. 상기 분기된 제1광 및 상기 제2광의 간섭광은 수광부(140)에서 분석되고, 수광부(140)는 센서부(110)에서 발생한 표면 플라즈몬 공명 현상을 분석한다.
실시예에 따라서는, 광전자 모듈부인 마흐젠더 간섭계는 상기 생성된 간섭광을 복수의 편광파로 분리하기 위한 편광파 분리부(134)를 더 포함할 수 있고, 상기 편광파 분리부는 월라스톤(Woolaston) 프리즘, 노말스키(Nomarski) 프리즘, 니콜(Nicol) 프리즘, 글랜-톰슨(Glan-Thompson) 프리즘, 또는 글랜-푸우코(Glan-Foucault) 프리즘 중 어느 하나일 수 있다.
전술한 바와 같이, 일반적으로 표면 플라즈몬 공명 현상이 발생하기 위해서는 금속 박막에 평행한 파수벡터 성분이 표면 플라즈몬의 파수벡터와 일치하여야 한다. 따라서 수광부(140)는 위상 전이(변이)를 측정하기 위해서 이러한 TM 편광파가 아닌 상기 TM 편광파와 편광 방향이 반대인 TE 편광파를 분석한다.
수광부(140)는 간섭광을 편광파 분리부(134)를 통하여 분리된 복수의 편광 파(도 2에서는 두 개의 편광파)을 분석한다. 즉, 표면 플라즈몬 공명 현상에 의해 위상 변화가 생긴 TM 편광파에는 플라즈몬 공명 현상이 발생하지 않은 TE 편광파 간의 위상 차이를 분석한다.
실시예에 따라서는 수광부(140)는 TM 편광파 및 TE 편광파가 수광부(140)에 도달하는 시간 차이를 측정할 수 있고, 상기 시간 차이로부터 위상 전이(변이)를 측정할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 물(H2O) 및 8% 글리세린 시료에 대한 상기 물과 상기 8%의 글리세린 시료에 대해서 금속 나노 구조체를 포함하는 센서부를 구비하는 본 발명의 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템과 종래의 단순 금속 박막을 포함하는 센서부를 구비하는 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템에서 측정된 입사각의 변화에 따른 위상 전이 변화의 시뮬레이션 결과를 도시한 것이다.
일반적으로 물의 굴절율은 1.333으로 알려져 있으며 8% 글리세린 용액의 굴절율은 실험적으로 1.3424로 알려져 있다.
도 3을 참고하면, 상기 물(H2O) 및 상기 8%의 글리세린 시료에 대해서 300nm 의 피치를 갖는 금속 나노 구조체를 포함하는 센서부를 구비하는 본 발명의 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템에서 측정된 위상 전이 그래프와, 종래의 단순 금속 박막을 포함하는 센서부를 구비하는 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템에서 측정된 위상 전이 그래프를 비교해 보면, 본 발명에 의한 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템에 의하여 측정된 그래프는 입사각(incident angle)에 따라서 위상 전이의 기울기 차 이가 큰 것을 확인할 수 있다.
즉, 종래의 구성에 의한 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템에서는 물(H2O) 및 8% 글리세린에 대한 두 굴절률에 따라서 위상 전이의 기울기는 본 발명의 금속 나노 구조체를 포함하는 센서부를 구비하는 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템에 비하여 완만한 형태를 지닌다.
본 발명의 금속 나노 구조체를 포함하는 센서부를 구비하는 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템에 따르면, 굴절율의 변화에 따른 센싱 데이터의 차이가 명확하므로 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템의 분해능 측면에서 민감도가 개선되는 것을 확인할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 물(H2O)과 8% 글리세린 시료에 대한 상기 물과 상기 8%의 글리세린 시료에 대해서, 금속 나노 구조체를 포함하는 센서부를 구비하는 본 발명의 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템과 종래의 단순 금속 박막을 포함하는 센서부를 구비하는 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템에서 측정된 입사각의 변화에 따른 위상 전이 차이를 비교한 것이다.
도 4는 물(H2O) 및 8% 글리세린 시료의 굴절률의 0.0094 차이에 대한 위상 폭의 최대값을 확인할 수 있는 결과로서, 도 4를 참조하면, 300nm 피치(Λ)의 금속 나노 와이어층을 포함하는 금속 나노 구조체층을 포함하는 센서부를 구비하는 본 발명의 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템에서는 최대 위상 폭이 약 160도 정도의 차이를 갖게 되는 반면 종래의 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템에서는 최대 위상 폭 이 50도의 차를 갖는데 그쳐 본 발명의 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템에 따르면, 센싱 데이터의 차이가 명확하므로 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템의 분해능 측면에서 민감도가 개선되는 것을 확인할 수 있다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 시료의 굴절율 변화에 따른 금속 나노 구조체를 포함하는 센서부를 구비하는 본 발명의 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템과 종래의 단순 금속 박막을 포함하는 센서부를 구비하는 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템에서 측정된 위상 전이 결과를 도시한 것이다.
도 5에서는 입사각을 특정한 값으로 고정시키고 고정된 입사각은 도 4에서의 위상 전이 차이가 최대인 경우를 고려하였다.
도 5를 참조하면, 종래의 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템에서는 굴절율의 변화에 따라 관측되는 위상 변화가 선형적인 형태를 보이는 반면, 본 발명의 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템의 경우에는 굴절율이 약 1.338 인 지점에서 위상 변화 폭이 큰, 지수적으로 증감하는 형태를 보임을 확인할 수 있다.
도 6은 시료를 ssDNA를 접합시켰을 때부터 dsDNA를 접합시켰을 때까지의 시료의 굴절율 변화에 따른 위상 전이 결과를 도시한 것으로서, 도 6을 참조하면, 종래의 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템에서는 굴절율의 변화에 따라 관측되는 위상 변화가 선형적인 형태를 보이는 반면, 본 발명의 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템의 경우에는 굴절율이 약 1.485 인 지점에서 위상 변화 폭이 큰, 지수적으로 증감하는 형태를 보임을 확인할 수 있다.
본 발명의 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템에 의하면, 굴절율 변화에 대한 위상 전이를 추정 할 수 있다.
도 7은 본 발명의 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템에서의 전도성 박막의 두께 변화에 따른 위상 전이에 대한 시뮬레이션 결과를 도시한 것이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템에 포함된 센서부의 전도성 박막의 두께(dg)를 30 nm 내지 60 nm 사이에서 변화시키면서 위상 전이의 결과를 살펴본 결과, 상기 전도성 박막의 두께가 40nm 인 경우에 최대의 위상 전이 결과를 보여줌을 확인할 수 있다.
도 7의 시뮬레이션 결과를 통하여 원하는 시료의 굴절률 변화에 따른 최적화된 전도성 박막의 두께를 확인할 수 있으며, 상기 최적화된 전도성 박막의 두께에 따른 최적화된 위상 전이 폭을 갖는 입사각의 예측도 가능하다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템에서의 금속 나노 와이어층의 피치(Λ)에 따른 입사각에 의한 위상 전이의 변화를 도시한 것이다.
도 8에서는 dsDNA 및 ssDNA에 의한 굴절률 차이에 의한 위상 전이의 변화를 측정한 것으로서, 도 8을 참조하면, 본 발명의 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템에서의 금속 나노 와이어층의 피치(Λ)가 300nm 일 경우, 위상 전이의 정도가 가장 크게 나타남을 확인할 수 있다. 정량적인 감도 개선 지수(sensitivity effective factor) 측면에서 금속 필름 박막층을 포함하는 종래의 경우보다 10배 정도의 위상 감도가 뛰어남을 확인할 수 있다.
도 9에서는 글리세린의 농도 차이에 의한 위상 전이의 변화를 측정한 것으로서, 도 9를 참조하면, 도 8에서와 마찬가지로 본 발명의 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템에서의 금속 나노 와이어층의 피치(Λ)가 300nm 일 경우, 위상 전이의 정도가 가장 크게 나타남을 확인할 수 있다. 정량적인 감도 개선 지수(sensitivity effective factor) 측면에서 금속 필름 박막층을 포함하는 종래의 경우보다 3배 정도의 위상 감도가 뛰어남을 확인할 수 있다.
도 10은 본 발명의 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템에서의 금속 나노 와이어층의 두께(dg)에 따른 입사각에 의한 위상 전이의 변화를 도시한 것이다.
도 10은 300nm 의 피치를 갖는 상기 금속 나노 와이어층을 포함하는 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템에서의 글리세린의 농도 차이에 의한 위상 전이의 변화를 도시한 것으로서, 도 10을 참조하면, 금속 나노 와이어층의 두께는 10nm 에서 최적의 위상 전이 효과를 보임을 확인할 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템의 구성을 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템의 구성을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 물(H2O) 및 8% 글리세린 시료에 대한 상기 물과 상기 8%의 글리세린 시료에 대해서 금속 나노 구조체를 포함하는 센서부를 구비하는 본 발명의 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템과 종래의 단순 금속 박막을 포함하는 센서부를 구비하는 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템에서 측정된 입사각의 변화에 따른 위상 전이 변화의 시뮬레이션 결과를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 물(H2O)과 8% 글리세린 시료에 대한 상기 물과 상기 8%의 글리세린 시료에 대해서, 금속 나노 구조체를 포함하는 센서부를 구비하는 본 발명의 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템과 종래의 단순 금속 박막을 포함하는 센서부를 구비하는 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템에서 측정된 입사각의 변화에 따른 위상 전이 차이를 비교한 것이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 시료의 굴절율 변화에 따른 금속 나노 구조체를 포함하는 센서부를 구비하는 본 발명의 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템과 종래의 단순 금속 박막을 포함하는 센서부를 구비하는 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템에서 측정된 위상 전이 결과를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템에서의 전도성 박막의 두께 변화에 따른 위상 전이에 대한 시뮬레이션 결과를 도시한 것이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템에서의 금속 나노 와이어층의 피치(Λ)에 따른 입사각에 의한 위상 전이의 변화를 도시한 것이다.
도 10은 본 발명의 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템에서의 금속 나노 와이어층의 두께(dg)에 따른 입사각에 의한 위상 전이의 변화를 도시한 것이다.

Claims (11)

  1. 기판, 접착층, 전도성 박막, 및 상기 전도성 박막 상부에 형성된 금속 나노 구조층이 순차적으로 적층된 센서부;
    상기 센서부의 하부에 부착되고, 광원으로부터 입사된 제1광을 상기 센서부로 유도하여 상기 제1광에 대한 반사광인 제2광을 생성하도록 제어하는 광학 모듈부;
    상기 광학 모듈부로 입사하는 상기 제1광을 분기하고, 상기 분기된 제1광 및 상기 제2광을 수집하여 간섭광을 생성하는 광전자 모듈부; 및
    상기 간섭광으로부터 표면 플라즈몬 공명 흡수에 의한 위상 전이를 측정하는 수광부
    를 포함하고,
    상기 광전자 모듈부는 상기 생성된 간섭광을 복수의 편광파로 분리하기 위한 편광파 분리부를 더 포함하고,
    상기 수광부는 상기 분리된 복수의 편광파의 감지되는 시간 차이로부터 상기 위상 전이를 측정하는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 접착층은 크롬(Cr) 또는 티타늄(Ti) 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 접착층은 1nm 내지 5nm 의 두께로 구성되는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 금속 나노 구조층은 금속 나노 와이어층 또는 금속 나노 튜브인 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 박막은 40nm 내지 60nm 의 두께로 구성되는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 박막 및 상기 금속 나노 구조층은 동일한 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 박막은 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 반도체, 또는 이들의 혼합물 중 어느 하나의 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 금속 나노 구조층은 일렬로 배치된 복수의 금속 나노 와이어를 포함하고, 상기 복수의 금속 나노 와이어는 10nm의 두께 및 300nm의 피치로 구성된 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 광전자 모듈부는 마크젠더(Mach-Zehnder) 간섭계인 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 편광파 분리부는 월라스톤(Woolaston) 프리즘, 노말스키(Nomarski) 프리즘, 니콜(Nicol) 프리즘, 글랜-톰슨(Glan-Thompson) 프리즘, 글랜-푸우코(Glan-Foucault) 프리즘 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템.
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