KR101036619B1 - 프리즘의 소산파를 이용한 바이오 시편 측정 장치 및 그 방법 - Google Patents

프리즘의 소산파를 이용한 바이오 시편 측정 장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 프리즘의 소산파를 이용한 바이오 시편 측정 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 프리즘 내부 전반사를 2회 이상 발생하게 하는 효과에 의해 발생하는 복수의 소산파를 바이오 시편의 형광 검출에 이용하여 보다 고민감도의 형광 검출을 제공함과 동시에, 서로 다른 투과율과 반사율의 면을 갖는 프리즘을 이용하여 형광 검출 과정에서 에너지 손실을 최소화하는 소산파를 이용함으로써, 고효율로 바이오 시편의 형광 검출이 가능한 프리즘의 소산파를 이용한 바이오 시편 측정 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
프리즘, 소산파, 바이오칩, 측정, 형광, 검출

Description

프리즘의 소산파를 이용한 바이오 시편 측정 장치 및 그 방법{Bio-chip measuring system and method within evanescent wave of prism with specific transmittances}
본 발명은 프리즘의 소산파를 이용한 바이오 시편 측정 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 프리즘 내부 전반사 효과에 의해 발생하는 소산파를 바이오 시편의 형광 검출에 이용하고, 서로 다른 투과율과 반사율을 갖는 각각의 면을 갖는 프리즘을 이용하여, 수질 검사를 비롯한 잔류 농약 검출을 위한 분석 장비에 사용할 수 있는 프리즘의 소산파를 이용한 바이오 시편 측정 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
종래의 형광을 이용한 바이오 시편 측정 장치는 여기광을 바이오 시편에 직접 입사시켜 형광을 발생시키는 방법을 이용하여 시편의 잔류농약이나 관심 물질을 측정하였다.
전술한 방법은 측정 과정에서 시편을 통과한 여기광이 형광과 혼합되어 검출부에 입사되므로 시편으로부터 여기된 형광을 정확히 검출할 수 없으며, 바이오 시편이나 대기 중에 존재하는 미세 먼지 등과 같은 이물질에 대한 영향을 많이 받게 되어 형광의 신호 대 잡음비를 저하하는 문제점이 있었다.
이러한, 문제점을 해소하기 위해서 한국특허등록제 10-0768038호(이라, "종래기술 1"이라 함)가 제시되었다. 종래기술 1의 구성을 살펴보면, 일반적인 바이오칩, 즉, 현미경 슬라이드 유리로 제작된 기판 측면에 여기광을 입사하여 슬라이드 내부 전반사를 통하여 발생한 소산파를 이용하여 바이오 시편에서 발생하는 형광을 측정하도록 시스템을 구성하였다.
이와 같은, 종래기술 1은 광원에서 조사되는 빛을 확산판을 통해 기판의 측면으로 조명함으로써, 확산 작용에 의해 기판의 넓은 면적에 걸쳐 소산파를 조성하면서 내부 전반사를 통해 진행할 수 있다.
전술한 바와 같이, 종래기술 1은 여기광을 확산 산란시키는 과정에서 내부 전반사 임계각보다 작은 입사각을 갖는 광은 조리개 수단으로 차단하여 기판의 내부로 들어가지 못하도록 하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 종래기술 1은 소산파를 이용하여 형광을 측정함으로써, 바이오 칩의 표면에 오염된 먼지 등에 의해 발생하는 광학적 잡음을 대폭 감소시켜 형광의 신호 대 잡음비를 개선할 수 있으며, 현미경 슬라이드 유리 기판을 직접 사용하므로 생산 단가를 낮출 수 있다는 특징이 있다.
그러나 종래기술 1은 확산판을 이용하는 경우 평판 형태의 광도파로 내부로 여기광을 입사시키는 과정에서 광량의 손실률이 큰 문제점이 있었다.
이와 함께, 광도파로 내에서 소산파를 발생시킨 내부 전반사된 빛이 재반사되어 다음 시료면에서 소산파를 발생시키면, 먼저 형광물질을 여기 시키는 소산파 의 형광 반응 정도에 따라, 재반사되는 광량이 변하게 된다. 따라서, 다음 시료면에서 형광을 여기 시키는 소산파의 변화를 유도하게 되는 문제점이 있었다.
전술한 바와 같이, 종래기술 1은 앞서 반응하는 형광물질의 소산파 여기 정도에 따라 다음 시료면의 형광물질을 여기 시키는 광량이 변하게 됨으로써, 형광 검출량의 변화로부터 시료의 반응 정도를 검출하고자 하는 장치로는 적합하지 않은 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 이상의 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 다음과 같다.
첫째, 본 발명은 내부 전반사가 발생할 수 있도록 특별 제작된 프리즘을 이용하여 형광물질을 여기 시키도록 구성하여, 더욱 넓은 측정 영역에 대한 균일하고 고민감도의 형광 신호를 측정하는데 그 목적이 있다.
둘째, 본 발명은 특별 제작된 프리즘의 옆면에 여기광을 입사하여 더욱 넓은 입사면을 확보하는데 그 목적이 있다.
셋째, 본 발명은 더욱 넓은 입사면을 확보하여 프리즘 밑면의 바이오 시편에 더욱 많은 소산파를 제공하는데 그 목적이 있다.
넷째, 본 발명은 시준이 잘된 광원을 여기광으로 이용하여 측정 영역에 대하여 동일한 입사각으로 여기광을 조사하고, 바이오 시편이 장착된 프리즘 밑면 전 영역에 대하여 일정한 소산파를 형성하여, 측정하고자 하는 바이오 시편의 형광 검출량 변화를 정확하고 안정적으로 검출하는데 그 목적이 있다.
다섯째, 본 발명은 프리즘의 각 면이 각각 다른 투과율을 가지도록 코팅하여, 고효율의 바이오 시편 형광 측정 장치를 구현하는데 그 목적이 있다.
여섯째, 본 발명은 프리즘 내부에서 2회 이상 내부 전반사를 일으키게 하여 프리즘 내부에서 손실되는 광을 최소화하여, 측정 과정에서 발생하는 에너지 손실을 줄여 더욱 강한 소산파를 형성시킴으로써 고민감도, 고효율의 형광 검출기를 구 현하는데 그 목적이 있다.
이와 같은, 본 발명의 목적을 달성하기 위한 기술수단은 다음과 같다.
여기광을 제공하는 광원부; 광원부 일측으로 형성되어 여기광을 수광받는 프리즘부; 프리즘부 일측에 형성되어 프리즘부에서 발생한 소산파를 제공받는 바이오 시편을 구비한 시편부; 시편부 일측으로 형성되어 시편부에서 전달된 형광을 검출하는 형광 검출부; 및 형광 검출부 일측으로 형성되어 형광 검출부에서 산출한 측정데이터를 전달받는 신호처리 및 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
광원부는, 여기광을 발광하는 광원; 및 광원 일측으로 형성되어 여기광을 프리즘부로 제공하는 렌즈를 포함한 것을 특징으로 한다.
프리즘부는, 시편부 일면에 형성된 프리즘 밑면; 광원부에서 제공한 여기광이 입사되는 프리즘 전면; 및 프리즘부를 통과하여 출사광을 외부로 출사하는 프리즘 후면; 을 갖는 프리즘을 포함하고;
상기 프리즘은, 프리즘 전면과 상기 프리즘 밑면이 만나는 지점의 내각에 제 1사잇각을 형성하고, 상기 프리즘 후면과 상기 프리즘 밑면이 만나는 지점의 내각에 제 2사잇각를 형성하여, 상기 제 1사잇각과 상기 제 2사잇각이 동일한 등각인 이등변 삼각형으로 형성한 것을 특징으로 한다.
프리즘에서, 여기광은 프리즘부의 프리즘 전면으로 입사되어 굴절광을 형성하고, 굴절광은 프리즘 밑면에 반사되어 프리즘 후면을 통해 외부로 방출하는 제 1반사광 및 프리즘 후면에 반사되어 다시 프리즘 밑면으로 입사되는 제 2반사광을 형성하는 것을 특징으로 한다.
프리즘 전면은 상기 여기광의 투과율이 50~100%이고, 프리즘 후면은 제 1반사광의 반사율이 50~100%인 것을 특징으로 한다.
시편부는 프리즘의 프리즘 밑면에 다수개의 바이오 시편을 연속해서 형성한 것을 특징으로 한다.
형광 검출부는, 시편부에서 제공한 형광의 결상 또는 집광을 위한 렌즈; 렌즈 일측으로 형성되어 형광을 제공받는 필터; 및 필터 일측으로 형성되어 형광을 측정하는 검출소자;를 포함한 것을 특징으로 한다.
광원부에서 여기광을 발광하는 단계; 여기광이 프리즘부을 통과하는 단계; 프리즘부에서 소산파를 발생하는 단계; 소산파가 시편부의 바이오칩을 통과하는 단계; 시편부를 통과한 소산파에 의해 시편부의 바이오 시편에서 형광을 발생하는 단계; 시편부에서 발생한 형광을 형광 검출부에 제공하는 단계; 및 형광 검출부에서 형광을 산출한 측정데이터를 신호처리 및 제어부에 제공하는 단계;로 이루어진 것을 특징으로 한다.
여기광이 프리즘부를 통과하는 단계에서 프리즘부의 내부에서 2회 이상 내부 전반사하는 것을 특징으로 한다.
프리즘부에서 소산파를 발생하는 단계에서, 상기 프리즘부의 매질 경계면에서 발생하는 소산파는 다음의 수학식
Figure 112009013397051-pat00001
에 의해 이루어지는 것을 특징으로 한다.
프리즘부에서 소산파를 발생하는 단계에서, 프리즘부의 굴절광에 의해 시편부에서 발생하는 소산파는 수학식
Figure 112009013397051-pat00002
에 의해 이루어지는 것을 특징으로 한다.
프리즘부에서 소산파를 발생하는 단계에서, 프리즘의 제 2반사광에 의해 시편부에서 발생하는 소산파는 수학식
Figure 112009013397051-pat00003
에 의해 이루어지는 것을 특징으로 한다.
프리즘부에서 소산파를 발생하는 단계에서, 시편부에 발생하는 전체 소산파는 수학식
Figure 112009013397051-pat00004
에 의해 이루어지는 것을 특징으로 한다.
위의 수학식들에서, z는 프리즘 밑면에서의 매질경계에 대한 수직방향 위치, x는 수평방향, β는 감쇄 상수, k2는 전파상수, 시편부의 굴절률을 n1이고 공기의 굴절률 n2라고 하였을 때 n은 n2/n1, E0는 진폭상수, T1은 프리즘 전면의 투과율, T2는 프리즘 밑면의 투과율, T3는 프리즘 후면의 투과율이다.
이상과 같이 본 발명의 효과는 다음과 같다.
첫째, 본 발명은 내부 전반사가 발생할 수 있도록 특별 제작된 프리즘을 이 용하여 형광물질을 여기 시키도록 구성함으로써, 더욱 넓은 측정 영역에 대한 균일하고 고민감도의 형광 신호를 측정하는 효과가 있다.
둘째, 본 발명은 특별 제작된 프리즘의 옆면에 여기광을 입사시킴으로써, 더욱 넓은 입사면을 확보하는 효과가 있다.
셋째, 본 발명은 광원의 입사각 조절이 용이함으로써, 더욱 많은 광으로 소산파를 형성시키는데 사용할 수 있는 효과가 있다.
넷째, 본 발명은 시준이 잘된 광원을 여기광으로 이용하여 측정 영역에 대하여 동일한 입사각으로 여기광이 조사하게 되어 바이오 시편이 장착된 프리즘 밑면 전 영역에 대하여 일정한 소산파를 형성시킴으로써, 측정하고자 하는 바이오 시편의 형광 검출량 변화를 정확하고 안정적으로 검출하는 효과가 있다.
다섯째, 본 발명은 프리즘의 각 면이 각각 다른 투과율을 가지도록 코팅함으로써, 고효율의 바이오 시편 형광 측정 장치를 구현하는 효과가 있다.
여섯째, 본 발명은 프리즘 내부에서 2회 이상 내부 전반사를 일으키게 하여 프리즘 내부에서 손실되는 광을 최소화함으로써, 측정 과정에서 발생하는 에너지 손실을 줄여 더욱 강한 소산파를 형성하여 고민감도, 고효율의 형광 검출기를 구현하는 효과가 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
<본 발명에 따른 구성>
도 1은 본 발명에 따른 프리즘의 소산파를 이용한 바이오 시편 측정 장치를 도시한 개략구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 프리즘부를 도시한 구성도 및 작용상태도이고, 도 3은 본 발명에 따른 프리즘의 소산파를 이용한 바이오 시편 측정 장치를 도시한 상세구성도이다. 도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 프리즘의 소산파를 이용한 바이오 시편 측정 장치는 광원부(2), 프리즘부(3), 시편부(4), 형광 검출부(5) 및 신호처리 및 제어부(6)로 이루어진다.
광원부(2)는 프리즘부(3)로 여기광(7)을 제공하는 것으로, 광원(21) 및 렌즈(22)로 이루어진다. 이때, 광원(21)은 여기광(7)을 발산한다. 또한, 렌즈(22)는 광원(21) 일측에 형성되어 여기광(7)을 시준하여 프리즘부(3)로 제공하는 것이다.
프리즘부(3)는 광원부(2) 일측으로 형성한다. 이때 프리즘부(3)는 광원부(2)의 여기광(7)을 전달받아 소산파(8)를 발생한다. 이때 프리즘부(3)는 삼각형 형상의 프리즘(30)을 포함한다.
전술한 프리즘(30)은, 시편부(4) 상단에 형성한 프리즘 밑면(33), 광원부(2)에서 제공한 여기광(7)이 입사되는 프리즘 전면(31) 및 프리즘부(3)를 통과하여 출사광(11)을 외부로 출사하는 프리즘 후면(32)으로 형성된다.
이에 따라 프리즘(30)은, 프리즘 전면(31)과 프리즘 밑면(33)이 만나는 지점의 내각에 제 1사잇각(34)을 형성하고, 프리즘 후면(32)과 프리즘 밑면(33)이 만나는 지점의 내각에 제 2사잇각(35)를 형성하여, 제 1사잇각(34)과 제 2사잇각(35)이 동일한 등각인 이등변 삼각형으로 형성한다.
전술한 바와 같이, 프리즘(30)의 제 1사잇각(34)과 제 2사잇각(35)이 동일한 등각인 이등변 삼각형으로 형성으로 형성할 때 제 1사잇각(34)과 제 2사잇각(35)은 30~60°로 형성한다. 이때 제 1사잇각(34)과 제 2사잇각(35)은 45°로 형성하는 것이 바람직하다.
이와 같은, 프리즘(30)은 여기광(7)이 프리즘부(3)의 프리즘 전면(31)으로 입사되어 굴절광(71)을 형성한다.
전술한, 굴절광(71)은 프리즘 밑면(33)에서 반사되어 프리즘 후면(32)을 통해 외부로 방출하는 제 1반사광(72) 및 프리즘 후면(32)에 반사되어 다시 프리즘 밑면(33)으로 입사되는 제 2반사광(73)으로 이루어진다.
전술한 프리즘(30)은, 강한 소산파(8)를 형성하기 위해 각각의 면(31, 32, 33)이 서로 다른 빛의 투과율을 갖도록 형성한다. 이때 프리즘(30)은 프리즘 전면(31)은 투과율을 상대적으로 높게 형성하고, 프리즘 후면(32)은 반사율을 상대적으로 높게 형성하는 것이 바람직하다.
이에 따라, 프리즘 전면(31)은 상기 여기광(7)의 투과율이 50~100%이고, 프리즘 후면(31)은 제 1반사광(72)의 반사율이 50~100%인 것이 바람직하다.
프리즘(30)의 프리즘 전면(31)의 투과율과 프리즘 후면(32)의 반사율이 100%일 경우 내부 전반사를 2회 하게 되어 2회 소산파(8)를 형성하게 된다.
프리즘(30)의 프리즘 전면(31)의 투과율과 프리즘 후면(32)의 반사율이 99% 이하일 경우 내부 전반사를 다수 하게 되어 다수 소산파(8)를 형성하게 된다.
이상의 프리즘(30)의 소산파(8) 발생 및 내부 전반사에 대한 설명은 아래의 프리즘의 실시예에서 더욱 상세히 설명하기로 한다.
전술한 프리즘(30)의 각각의 면(31, 32, 33)은 투과율과 반사율을 살펴보면, 프리즘(30)의 각각의 면(31, 32, 33)은 투과율과 반사율의 합이 100으로 계산된다.
예를 들면, 프리즘 전면(31)의 투과율이 100%일 경우 반사율은 0%이고, 프리즘 전면(31)의 반사율이 50%이면 투과율은 50%가 되는 것이다. 또한, 이때, 프리즘의 프리즘 후면(31)의 반사율이 100%일 경우 투과율은 0%이고, 프리즘 후면(32)의 반사율이 50%이면 투과율은 50%가 되는 것이다.
프리즘부(3)의 프리즘(30)은 프리즘 전면(31), 프리즘 후면(32), 프리즘 밑면(33)의 투과율이 각각 T 1 , T2, T3가 되도록 제작된다. 프리즘(30) 내부에서 전반사가 발생할 수 있도록 프리즘(30)의 양 밑각이 특수 제작된 프리즘부(3)의 프리즘 전면(31)에 θ의 입사각을 갖는 여기광(7)을 입사시킨다.
빛이 서로 다른 매질 경계면을 투과할 때, 각 매질의 굴절률에 따른 입사각과 투과각은 스넬의 반사 법칙(Snell's law)을 따르며, 입사 매질에서의 굴절률 n1 및 입사각 θ1, 출사 매질에서의 굴절률 n2 및 굴절각 θ2은 다음의 수학식 1과 같은 관계를 가진다.
Figure 112009013397051-pat00005
n1〉n2인 경우 내부 전반사가 일어나기 시작하는 임계각(critical angle)θc은 다음의 수학식 2와 같이 정의된다.
Figure 112009013397051-pat00006
즉, 매질 1에서의 입사각 θ1이 임계각인 경우, 매질 2에서의 굴절각 θ2=90°로 간주할 수 있으며, 매질 2로 굴절되는 빛이 사라지며 이 현상을 내부전반사(total internal reflection)라 하며, 이러한 내부 전반사 조건에서 매질경계면에 소산파(8)가 형성된다. 매질 경계면서 소산파(8)는 다음의 수학식 3과 같이 정의된다.
Figure 112009013397051-pat00007
Eo는 여기광의 진폭상수, z는 매질경계의 수직방향, β는 감쇄 상수, x는 수평방향, k2는 진행상수를 나타낸다. 시편부의 굴절률을 nt, 공기의 굴절률을 n2라고 했을 때, n은 n2/nt를 나타낸다. 소산파는 매질 경계면 근처 약 100nm 이내에 존재하기 때문에, 시료면에 도포된 형광물질을 효과적으로 여기 시킨다.
프리즘 전면(31)의 투과율이 T1, 프리즘 밑면(33)의 투과율이 T2이므로, 굴절광(71)에 의해 발생하는 소산파(8)는 아래의 수학식 4와 같다.
Figure 112009013397051-pat00008
프리즘 밑면(33)에서 반사된 제 1 반사광(72)은 프리즘 후면(31)에서 다시 반사되어 제 2 반사광(73)을 발생시키고, 굴절광(71)이 조사되었던 동일한 영역에 재입사 되어 아래와 같은 또 다른 소산파(8)는 아래의 수학식 5와 같이 형성한다.
Figure 112009013397051-pat00009
이에 따라, 시편부(4)에서 발생하는 전체 소산파(8)는 아래의 수학식 6과 같다.
Figure 112009013397051-pat00010
프리즘 전면(31)은 투과율이 높게 프리즘 후면(32)은 투과율이 낮게 즉 프리즘 후면(32)은 반사율을 높게 프리즘(30)을 코팅함으로써, 고민감도, 고효율의 바이오 시편 측정하는 시스템을 구축할 수 있는 것이다.
시편부(4)는 프리즘부(3) 일측에 형성한다. 이때 시편부(4)는 프리즘부(3)에서 전달된 소산파(8)를 제공받는 것으로, 시편부(4)는 프리즘(30)의 프리즘 밑면(33)에 다수개의 바이오 시편(41)을 연속해서 형성하는 것이 바람직하다.
형광 검출부(5)는 시편부(4) 일측에 위치한다. 이때 형광 검출부(5)는 시편부(4)에서 전달된 형광(9)을 검출하는 것으로, 검출 검출부(5)는 렌즈(51), 필터(52) 및 검출소자(53)로 구성된다.
전술한, 검출소자(53)의 렌즈는 시편부(4)에서 제공한 형광(9)의 결상 또는 집광을 위한 것이다. 필터(52)는 렌즈(51) 일측으로 형성되어 형광(9)를 제공한다. 검출소자(53)는 필터(52) 일측으로 형성되어 형광(9)를 측정한다.
앞서 언급한 검출소자(53)는 다양한 형광(9)을 검출하는 검출소자(53)을 사용할 수 있다. 이때, 검출소자(53)는 일예로 포토다이오드의 사용이 가능하다.
신호처리 및 제어부(6)는 형광 검출부(5) 일측으로 형성한다. 이때, 신호처리 및 제어부(6)는 형광 검출부(5)에서 산출한 측정데이터(10)를 전달받고, 각각의 구성을 제어한다.
이러한 신호처리 및 제어부(6)는 광원부(2)의 광원(21)의 전원을 제어하고, 형광 검출부(5)에서 산출한 측정데이터(10)를 전달받아 작업자에게 정보를 제공하는 등의 역할을 한다.
<프리즘 내부 전반사를 이용한 바이오 시편 측정 장치의 실시예 >
광원부(2)는 광원(21) 및 렌즈(22)로 구성된다. 이때 광원(21)은 바이오 시편(41)에 부착된 형광을 여기 시킬 수 있는 특정 중심 파장을 가지는 레이저가 사용될 수 있으며, 렌즈(22)는 광원(21)을 평행광으로 만들어 주거나 광량을 조절할 수 있는 형태로 구성된다.
프리즘부(3)는 프리즘 전면(31), 프리즘 후면(32), 프리즘 밑면(33)을 포함한다. 여기광(7)이 프리즘부(3)에 입사되면 두 번의 내부 전반사가 발생하여 고민감도의 소산파(8)를 형성한다.
시편부(4)는 바이오 시편(41) 및 시편 장착부(도면미도시)로 구성된다. 이때 바이오 시편(41)은 특이 물질 검출 형광 단백질이 도포된 형태로써, 내부전반사에 의한 소산파(8)에 의해 여기 되어 형광(9)을 발광하게 된다.
시편부(4)에 넣어주는 측정 바이오 시편(41)은 특이물질을 검출하고자 하는 성분의 양에 따라 특이물질 검출 형광 단백질과 반응 정도가 달라지고, 이에 따라 여기 되는 형광량이 변하게 된다.
검출부(5)는 결상 또는 빛의 집광을 위한 렌즈(51)가 장착될 수 있으며, 필터(52)를 이용하여 형광(9) 외의 빛을 차단하여 신호 대 잡음비가 높은 형광신호를 포토다이오드와 같은 검출소자(53)로 측정한다. 검출소자(53)는 신호처리 및 제어부(6)에 의해 동기화 및 제어되며, 측정된 측정데이터(10)는 신호 처리 및 제어부(6)로 전송된다.
<본 발명에 따른 프리즘부의 실시예 >
( 프리즘부의 제 1실시예 )
도 5는 본 발명에 따른 프리즘의 제 1실시예를 도시한 구성도 및 작용상태도이다. 도 5도 도시한 바와 같이, 프리즘부(3)의 제 1실시예는 프리즘 전면(31)의 여기광(7)의 투과율을 100%로 형성하고, 프리즘 후면(32)의 제 1반사광(72)의 반사율을 100%로 형성한 경우를 나타낸 것이다.
이에 따라, 제 1실시예에 따른 프리즘부(3)의 광의 작용상테를 설명하면, 여기광(7)이 프리즘(30)의 프리즘 전면(31)을 통과한다.
통과한 여기광(7)은 굴절광(71)으로 프리즘 밑면(33)에 전달되어 1회 소산파(8)를 형성한다.
소산파(8)를 형성시킨 굴절광(71)은 1회 내부 전반사에 의해 프리즘 후면(32)에 제 1반사광(72)이 전달된다.
전달된 제 1반사광(72)은 프리즘 후면(32)의 반사율 100%에 의해 2회 내부 전반사한다.
내부 전반사된 제 1반사광(72)은 프리즘 밑면(33)에 제 2반사광(73)으로 전달되어 2회 소산파(8)를 형성한다.
2회 소산파(8)를 형성한 제 2반사광(73)은 다시 프리즘 밑면(33)에 내부 전반사하여 프리즘 전면(31)으로 제 3반사광(74)이 전달된다.
전달된 제 3반사광(74)은 프리즘 전면(31)을 통해 프리즘(30) 외부로 출사광(11)으로 출사된다.
여기서, 제 1실시예는 프리즘(30) 내부에서 총 2회 내부 전반사를 일으키게 하여 프리즘 전면(31)과 프리즘 후면(32)에서 손실되는 광을 최소화함으로써, 측정 과정에서 발생하는 에너지 손실을 줄여 더욱 강한 소산파(8)를 형성하기 위함이다.
( 프리즘부의 제 2실시예 )
도 6은 본 발명에 따른 프리즘의 제 2실시예를 도시한 구성도 및 작용상태도이다. 도 6에 도시한 바와 같이, 프리즘부(3)의 제 2실시예는 프리즘 전면(31)의 여기광(7)의 투과율을 99% 이하로 형성하고, 프리즘 후면(32)의 제 1반사광(72)의 반사율을 99% 이하로 형성한 경우를 나타낸 것이다.
이에 따라, 제 1실시예에 따른 프리즘부(3)의 광의 작용상테를 설명하면, 여기광(7)이 프리즘(30)의 프리즘 전면(31)을 통과한다.
통과한 여기광(7)은 굴절광(71)으로 프리즘 밑면(33)에 전달되어 1회 소산파(8)를 형성한다.
1회 소산파(8)를 형성시킨 굴절광(71)은 1회 내부 전반사에 의해 프리즘 후면(32)에 제 1반사광(72)이 전달된다.
전달된 제 1반사광(72)은 프리즘 후면(32)의 반사율 99 이하%에 의해 2회 내부 전반사한다.
2회 내부 전반사된 제 1반사광(72)은 프리즘 밑면(33)에 제 2반사광(73)으로 전달되어 2회 소산파(8)를 형성한다. 이때 제 1반사광(72)의 일부는 프리즘 후면(32)을 통해 일부 출사광(11)으로 프리즘(30) 외부로 출사된다.
2회 소산파(8)를 형성한 제 2반사광(73)은 다시 프리즘(30) 밑면에 3회 내부 전반사하여 프리즘 전면(31)으로 제 3반사광(74)이 전달된다.
전달된 제 3반사광(74)은 프리즘 전면(31)을 통해 프리즘(30) 외부로 출사광(11)으로 일부 출사된다.
프리즘 전면(31)을 통해 출사되지 않은 제 3반사광(74)은 프리즘 전면(31)에 4회 내부 전반사하여 프리즘 밑면(33)으로 전달된다.
4회 내부 전반사된 제 3반사광(74)은 프리즘 밑면에 제 4반사광(75)으로 전달되어 3회 소산파(8)를 형성한다.
3회 소산파(8)를 형성한 제 4반사광(75)은 다시 프리즘 밑면(33)에 5회 내부 전반사하여 프리즘 후면(33)으로 제 5반사광(76)이 전달된다.
전달된 제 5반사광(76)은 프리즘 후면(32)을 통해 프리즘(30) 외부로 출사 광(11)으로 일부 출사된다.
이후의 과정은 제 2반사광(73) 이후의 과정을 반복하여 수행하게 된다. 즉 프리즘(30) 내부로 입사된 광은 소멸 될 때까지 이상의 과정을 반복한다.
여기서, 제 2실시예는 프리즘(30) 내부에서 2회 이상의 내부 전반사를 일으키게 하여 프리즘(30) 내부에 입사된 광을 소멸할 때까지 최대한 이용함으로써, 측정 과정에서 발생하는 에너지 손실을 줄여 더욱 강한 소산파(8)를 형성하기 위함이다.
( 프리즘부의 제 3실시예 )
도 7은 본 발명에 따른 프리즘의 제 3실시예를 도시한 구성도 및 작용상태도이다. 도 7에 도시한 바와 같이, 제 3실시예에 따른 프리즘부(3)의 프리즘(30)은, 프리즘 전면(31)과 프리즘 밑면(33)이 만나는 지점의 내각 45°인 제 1사잇각(34)을 형성하고, 프리즘 후면(32)과 프리즘 밑면(33)이 만나는 지점의 내각 45°에 제 2사잇각(35)를 형성하여, 제 1사잇각(34)과 제 2사잇각(35)이 동일한 등각인 이등변 삼각형으로 형성한 실시예이다. 즉 프리즘 전면(31)과 프리즘 후면(32)이 만나는 내각은 직각으로 형성된다.
여기서, 여기광(7)은 프리즘 전면(31)에 직각을 이루게 입사하도록 광원부(2)를 형성한다.
이상과 같이, 프리즘(30)의 제 1사잇각(34)과 제 2사잇각(35)이 동일한 등각인 이등변 삼각형으로 형성한 이유는 전술한 소산파(8)의 발생 및 내부 전반사를 2회 이상 형성하기 위함이다.
( 프리즘부의 제 4실시예 )
도 8은 본 발명에 따른 프리즘의 제 4실시예를 도시한 구성도 및 작용상태도이다. 도 8에 도시한 바와 같이, 제 4실시예에 따른 프리즘부(3)의 프리즘(30)은, 프리즘 전면(31)과 프리즘 밑면(33)이 만나는 지점의 내각 35°인 제 1사잇각(34)을 형성하고, 프리즘 후면(32)과 프리즘 밑면(33)이 만나는 지점의 내각 35°에 제 2사잇각(35)를 형성하여, 제 1사잇각(34)과 제 2사잇각(35)이 동일한 등각인 이등변 삼각형으로 형성한 실시예이다. 즉 프리즘 전면(31)과 프리즘 후면(32)이 만나는 내각은 110°로 형성된다.
여기서, 여기광(7)은 프리즘 전면(31)에 직각을 이루게 입사하도록 광원부(2)를 형성하고, 앞서 설명한 바와 같이 프리즘(30)은 제 1사잇각(34)과 제 2사잇각(35)을 35°동일한 등각으로 형성한 제 4실시예 뿐만 아니라, 제 3실시예의 45°동일한 등각을 기준으로 하여 제 1사잇각(34)과 제 2사잇각(35)이 30~60°이내의 형성할 수 있다.
이상과 같이, 프리즘(30)의 제 1사잇각(34)과 제 2사잇각(35)이 동일한 등각인 이등변 삼각형으로 형성한 이유는 전술한 소산파(8)의 발생 및 내부 전반사를 2회 이상 형성하기 위함이다.
<본 발명에 따른 방법>
도 4는 본 발명에 따른 프리즘의 소산파를 이용한 바이오 시편 측정 방법을 도시한 순서도이다. 도 4에 도시한 바와 같이, 광원부(2)에서 여기광(7)을 제공하 는 단계(S100)는, 광원부(2)에서 시준이 잘된 여기광(7)을 내부 전반사가 일어날 수 있도록 프리즘부(3)의 프리즘 전면(31)에 수직으로 입사한다.
여기광(7)이 프리즘부(3)를 통과하는 단계(S200)는, 프리즘(30)의 프리즘 전면(31)을 통과하여 굴절광(71)을 형성하여 시편부(4)에 입사하게 된다.
굴절광은 시편부(4)에서 1차로 내부 전반사하여 제 1반사광(72)을 형성하고, 제 1반사광(72)은 프리즘 후면(32)에 2차로 내부 전반사하여 제2반사광(73)을 형성한다.
프리즘부(3)에서 소산파(8)를 발생하는 단계(S300)는, 앞서 설명한 여기광(7)이 프리즘부(3)를 통과하는 단계(S200)에서 굴절광(71)이 시편부(4)에 내부 전반사하면서 1차로 소산파(8)를 형성하고, 프리즘 후면(32)에 내부 전반사 하면서 제 2반사광(73)에 의해 2차로 소산파(8)를 형성한다.
전술한, 프리즘부(3)에서 소산파(8)를 발생하는 단계(S300)에서 형성되는 소산파는 앞서 설명한 수학식 3, 수학식 4, 수학식 5 및 수학식 6과 같이 정의된다. 이때 수학식의 설명은 앞서 설명하였기에 생략한다.
소산파(8)가 시편부(4)를 통과하는 단계(S400)는, 프리즘부(3)에서 소산파(8)를 발생하는 단계(S300)에서 발생한 소산파(8)들이 시편부(4)를 통과하는 것이다.
시편부(4)를 통과한 소산파(8)에 의해 시편부(4)의 바이오 시편(41)에서 형광(9)을 발생하는 단계(S500)는, 프리즘부(3)에서 내부 전반사에 의해서 소산파(8)가 형성되어 바이오 시편(41)이 장착된 시편부(4)를 여기 하게 된다.
시편부(4)에서 발생한 형광(9)을 형광 검출부(5)에 제공하는 단계(S600)는, 전술한 시편부(4)의 바이오 시편(41)에서 형광(9)을 발생하는 단계(S500)에서 여기 되어 시편부(4)에서 방출된 형광(9)이 형광 검출부(5)로 입사한다.
형광 검출부(5)에서 형광(9)을 산출한 측정데이터(10)를 신호처리 및 제어부(6)에 제공하는 단계(S700)는, 전술한 형광 검출부(5)로 입사된 형광(9)의 측정 데이터(10)를 신호 처리 및 제어부(6)로 전송하고, 전송된 측정 데이터(10)를 이용하여 바이오 시편(41)의 형광 검출량 변화를 측정하는 것이다.
이상 전술한 여기광(7)이 프리즘부(3)를 통과하는 단계(S200)는 프리즘부(3)의 내부에서 2회 이상 내부 전반사하여 강한 소산파(8)를 발생하여 고민감도, 고효율의 바이오 시편(41) 측정 방법을 제공한다.
이와 같이, 프리즘부(3)에서 프리즘의 각 면(31, 32, 33)이 다른 투과율을 가질 수 있도록 프리즘(30) 제작 시 여기광(7)이 입사되는 프리즘 전면(31)은 투과율이 10~90% 높게 형성하고, 출사광(11)이 나가는 프리즘 후면(32)은 반사율이 10~90% 높게 형성한다.
이에 따라, 내부 전반사가 반복적으로 이루어지도록 프리즘부(3)를 형성하여 여기광(7)의 대부분이 소산파(8)로 형성하는데 사용될 수 있도록 하였다.
앞서 설명한 바와, 소산파(8)의 형성은 전반사되어 나가는 출사광(11)의 대부분을 프리즘 후면(32)의 반사율로 인해 제 2반사광으로 프리즘(30) 내부로 내부 재반사시켜 소산파(8)를 형성시키는데 다시 이용함으로써, 강한 소산파(8)를 형성할 수 있어 에너지 손실도 최소화할 수 있다.
이에 따라, 프리즘부(3)의 프리즘(30)을 구성하는 구성면의 형성에 따라 고민감도, 고효율로 바이오 시편(41) 측정할 수 있다.
<본 발명의 산업상 이용 가능성>
본 발명은 프리즘 내부 전반사 효과에 의해 발생하는 소산파를 바이오 시편의 형광 검출에 이용함으로써, 더욱 고민감도의 형광 검출을 제공한다. 또한, 프리즘을 이용하여 형광 검출 과정에서의 에너지 손실을 최소화하여 고효율의 바이오 시편 형광 검출이 가능한 장치 및 방법을 제공한다.
이에 따라, 본 발명의 이용분야는 수질 검사를 비롯한 잔류 농약 검출을 위한 분석 장비에 사용이 가능하다. 또한, 물성 분석의 기반 기술 확보를 통하여 향후 다른 환경오염 물질 및 환경호르몬과 같은 미량의 화학 물질 측정을 위한 새로운 분석 장비 개발이 가능하다. 따라서, 다른 분야와의 융합에 따른 경제 및 산업적 파급효과를 가져 올 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 상술한 실시예들은 모든 면에 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명에 따른 프리즘의 소산파를 이용한 바이오 시편 측정 장치를 도시한 개략구성도.
도 2는 본 발명에 따른 프리즘부를 도시한 구성도 및 작용상태도.
도 3은 본 발명에 따른 프리즘의 소산파를 이용한 바이오 시편 측정 장치를 도시한 상세구성도.
도 4는 본 발명에 따른 프리즘의 소산파를 이용한 바이오 시편 측정 방법을 도시한 순서도.
도 5는 본 발명에 따른 프리즘의 제 1실시예를 도시한 구성도 및 작용상태도.
도 6은 본 발명에 따른 프리즘의 제 1실시예를 도시한 구성도 및 작용상태도.
도 7은 본 발명에 따른 프리즘의 제 1실시예를 도시한 구성도 및 작용상태도.
도 8은 본 발명에 따른 프리즘의 제 1실시예를 도시한 구성도 및 작용상태도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
2: 광원부 21: 광원 22: 렌즈
3: 프리즘부 30: 프리즘 31: 프리즘 전면
32: 프리즘 후면 33: 프리즘 밑면 34: 제 1사잇각
35: 제 2사잇각 4: 시편부 41: 바이오 시편
5: 현광 검출부 51: 렌즈 52: 필터
53: 검출소자 6: 신호처리 및 제어부
7: 여기광 71: 굴절광 72: 제 1반사광
73: 제 2반사광 8: 소산파 9: 형광
10: 측정데이터 11: 출사광

Claims (16)

  1. 여기광을 제공하는 광원부(2);
    상기 광원부(2) 일측으로 형성되어 상기 여기광(7)을 수광받는 프리즘부(3);
    상기 프리즘부(3) 일측에 형성되어 상기 프리즘부(3)에서 전달된 소산파(8)를 제공받는 바이오 시편(41)을 구비한 시편부(4);
    상기 시편부(4) 일측으로 형성되어 상기 시편부(4)에서 발생한 형광(9)을 검출하는 형광 검출부(5); 및
    상기 형광 검출부(5) 일측으로 형성되어 상기 형광 검출부(5)에서 산출한 측정데이터(10)를 전달받는 신호처리 및 제어부(6)를 포함하며,
    상기 시편부(4)는 프리즘(30)의 프리즘 밑면(33)에 다수개의 바이오 시편(41)을 연속해서 형성한 것을 특징으로 하는 프리즘의 상기 소산파를 이용한 바이오 시편 측정 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 광원부(2)는,
    상기 여기광(7)을 발광하는 광원(21); 및
    상기 광원(21) 일측으로 형성되어 상기 여기광(7)을 상기 프리즘부(3)로 제공하는 렌즈(22)를 포함하는 것을 특징으로 하는 프리즘의 소산파를 이용한 바이오 시편 측정 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 프리즘부(3)는,
    상기 시편부(4) 일면에 형성된 프리즘 밑면(33);
    상기 여기광(7)이 입사되는 상기 프리즘 전면(31); 및
    상기 프리즘부(3)를 통과하여 출사광(11)을 외부로 출사하는 프리즘 후면(32);을 갖는 프리즘(30)을 포함한 것을 특징으로 하는 프리즘의 소산파를 이용한 바이오 시편 측정 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 프리즘(30)은,
    상기 프리즘 전면(31)과 상기 프리즘 밑면(33)이 만나는 지점의 내각에 제 1사잇각(34)을 형성하고, 상기 프리즘 후면(32)과 상기 프리즘 밑면(33)이 만나는 지점의 내각에 제 2사잇각(35)를 형성하여, 상기 제 1사잇각(34)과 상기 제 2사잇각(35)이 동일한 등각인 이등변 삼각형으로 형성한 것을 특징으로 하는 프리즘의 소산파를 이용한 바이오 시편 측정 장치.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 프리즘(30)에서, 상기 여기광(7)은 프리즘부(3)의 프리즘 전면(31)으로 입사되어 굴절광(71)을 형성하고, 상기 굴절광(71)은 상기 프리즘 밑면(33)에 반사되어 상기 프리즘 후면(32)을 통해 외부로 방출하는 제 1반사광(72) 및 상기 프리즘 후면(32)에 반사되어 다시 상기 프리즘 밑면(33)으로 입사되는 제 2반사광(73) 을 형성하는 것을 특징으로 하는 프리즘의 소산파를 이용한 바이오 시편 측정 장치.
  6. 제 3항에 있어서,
    상기 프리즘(30)은 각각의 면(31, 32, 33)이 서로 다른 빛의 투과율을 갖는 것을 특징으로 하는 프리즘의 소산파를 이용한 바이오 시편 측정 장치.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 프리즘 전면(31)은 상기 여기광(7)의 투과율이 50~100%인 것을 특징으로 하는 프리즘의 소산파를 이용한 바이오 시편 측정 장치.
  8. 제 5항에 있어서,
    상기 프리즘 후면(32)은 상기 제 1반사광(72)의 반사율이 50~100%인 것을 특징으로 하는 프리즘의 소산파를 이용한 바이오 시편 측정 장치.
  9. 삭제
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 형광 검출부(5)는,
    상기 시편부(4)에서 제공한 형광(9)의 결상 또는 집광을 위한 렌즈(51);
    상기 렌즈(51) 일측으로 형성되어 형광(9)를 제공받는 필터(52); 및
    상기 필터(52) 일측으로 형성되어 형광(9)를 측정하는 검출소자(53);를 포함하는 것을 특징으로 하는 프리즘의 소산파를 이용한 바이오 시편 측정 장치.
  11. 광원부(2)에서 여기광(7)을 제공하는 단계(S100);
    상기 여기광(7)이 프리즘부(3)를 통과하는 단계(S200);
    상기 프리즘부(3)에서 소산파(8)를 발생하는 단계(S300);
    상기 소산파(8)가 시편부(4)의 바이오 시편(41)을 통과하는 단계(S400);
    상기 시편부(4)를 통과한 소산파(8)에 의해 상기 시편부(4)의 바이오 시편(41)에서 형광(9)을 발생하는 단계(S500);
    상기 시편부(4)에서 발생한 상기 형광(9)을 형광 검출부(5)에 제공하는 단계(S600); 및
    상기 형광 검출부(5)에서 상기 형광(9)을 산출한 측정데이터(10)를 신호처리 및 제어부(6)에 제공하는 단계(S700);로 이루어며,
    상기 여기광(7)이 프리즘부(3)를 통과하는 단계(S200)에서 상기 프리즘부(3)의 내부에서 2회 이상 내부 전반사하는 것을 특징으로 하는 프리즘의 소산파를 이용한 바이오 시편 측정 방법.
  12. 삭제
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 프리즘부(3)에서 소산파(8)를 발생하는 단계(S300)에서, 상기 프리즘부(3)의 매질 경계면에서 발생하는 소산파(8)는 다음의 수학식
    Figure 112009013397051-pat00011
    에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 프리즘의 소산파를 이용한 바이오 시편 측정 방법.
    여기서, z는 프리즘 밑면에서의 매질경계에 대한 수직방향 위치, x는 수평방향, β는 감쇄 상수, k2는 전파상수, 시편부의 굴절률을 n1이고 공기의 굴절률 n2라고 하였을 때 n은 n2/n1, Eo는 여기광의 진폭상수, T1은 프리즘 전면의 투과율, T2는 프리즘 밑면의 투과율, T3는 프리즘 후면의 투과율이다.
  14. 제 11항에 있어서,
    상기 프리즘부(3)에서 소산파(8)를 발생하는 단계(S300)에서, 상기 프리즘부(3)의 굴절광(71)에 의해 상기 시편부(4)에서 발생하는 상기 소산파(8)는 수학식
    Figure 112009013397051-pat00012
    에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 프 리즘의 소산파를 이용한 바이오 시편 측정 방법.
    여기서, z는 프리즘 밑면에서의 매질경계에 대한 수직방향 위치, x는 수평방향, β는 감쇄 상수, k2는 전파상수, 시편부의 굴절률을 n1이고 공기의 굴절률 n2라고 하였을 때 n은 n2/n1, Eo는 여기광의 진폭상수, T1은 프리즘 전면의 투과율, T2는 프리즘 밑면의 투과율, T3는 프리즘 후면의 투과율이다.
  15. 제 11항에 있어서,
    상기 프리즘부(3)에서 소산파(8)를 발생하는 단계(S300)에서, 상기 프리즘(30)의 제 2반사광(73)에 의해 상기 시편부(4)에서 발생하는 상기 소산파(8)는 수학식
    Figure 112009013397051-pat00013
    에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 프리즘의 소산파를 이용한 바이오 시편 측정 방법.
    여기서, z는 프리즘 밑면에서의 매질경계에 대한 수직방향 위치, x는 수평방향, β는 감쇄 상수, k2는 전파상수, 시편부의 굴절률을 n1이고 공기의 굴절률 n2라고 하였을 때 n은 n2/n1, Eo는 여기광의 진폭상수, T1은 프리즘 전면의 투과율, T2는 프리즘 밑면의 투과율, T3는 프리즘 후면의 투과율이다.
  16. 제 11항에 있어서,
    상기 프리즘부(3)에서 소산파(8)를 발생하는 단계(S300)에서, 상기 시편부(4)에 발생하는 상기 전체 소산파(8)는 수학식
    Figure 112009013397051-pat00014
    에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 프리즘의 소산파를 이용한 바이오 시편 측정 방법.
    여기서, z는 프리즘 밑면에서의 매질경계에 대한 수직방향 위치, x는 수평방향, β는 감쇄 상수, k2는 전파상수, 시편부의 굴절률을 n1이고 공기의 굴절률 n2라고 하였을 때 n은 n2/n1, Eo는 여기광의 진폭상수, T1은 프리즘 전면의 투과율, T2는 프리즘 밑면의 투과율, T3는 프리즘 후면의 투과율이다.
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