KR101108022B1 - 강화된 나노-분광 스캐닝을 위한 방법 및 장치 - Google Patents
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Abstract
샘플에서의 화학 그룹의 식별성을 검사하기 위한 장치 및 방법은 개시되었다. 이 장치는 샘플이 지지되는 플라즈몬 공명 표면이 있는 기판, 광 빔 원, 및 팁 구역을 갖춘 렌즈 조립체와 상기 팁 구역에서 하나 이상의 플라즈몬 공명 미립자(PRPs)로 이루어진 나노렌즈를 구비하고 있다. 이 PRP는 나노렌즈와 기판 사이의 갭이 30nm 이하일 경우 나노렌즈와 기판 표면의 마주하는 검지 영역 사이의 공간에 있어서 근접장 전자기 갭 모드를 만들기 위하여 배치된다. 상기 장치의 포커스 기구는 렌즈 조립체를 30nm 이하의 갭을 두면서 기판 표면 쪽으로 또는 멀어지도록 이동시켜, 검지 영역에 있는 샘플에 의해 생성된 라만 분광기 사용 신호를 강화하는 전자기 갭 모드를 생성한다. 예를 들면, 상기 장치와 방법은 직접 DNA를 시퀀스 하기 위해 단일 DNA 스트랜드에서 일련의 베이스를 식별시하는데 유용하다.
플라즈몬 공명 금속, 기판, 광 빔 원, 나노렌즈, 근접장 전자기 갭 모드, 플라즈몬 공명 미립자, 렌즈 조립체, 포커스 기구, 라만 스펙트럼, 디텍터, 렌즈 조립체.
Description
본 발명은 나노-분광 스캐닝 분야에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기판에서 실행되는 단일의 분자나 단일의 화학 그룹(기, group) 구조의 분광 식별성에 유용한 방법과 장치에 관한 것이다.
본 발명의 배경기술 및/또는 방법론으로서 인용된 하기의 인용참증은 본 발명의 한 측면에 적용가능하며, 이들 인용참증은 본 발명에서 참조하여 구체화되었다.
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마이크로스케일과 나노스케일 정도의 레벨로 표면의 특성과 구조를 검사하기 위한 여러 공구와 방법이 있다. 원자현미경(AFM) 스캐닝은 매핑될 재료면 위에서 또는 가로지르는 캔틸레버의 자유 단부에서 이행되는 디텍터 팁을 이동시킴으로써 마이크로스케일 레벨로 매핑면 위상기하학을 고려한다. 이러한 타입의 현미경은 표면과 직접 물리적인 접촉에 의해 작동되거나, 또는 터널링 모드(tunneling mode)에 있어서 팁이 표면으로부터 선택된 거리에 있을 경우 터널링 전류의 검지에 의해 작동된다. 이러한 타입의 장치는 예를 들어, 통합식 회로 칩에서 결함을 검지하기 위하여 표면 지형을 매핑하는데 매우 유용한 것으로 밝혀졌으나, 그렇게 설계되지 않았거나 특정 화학 혼합물이나 화학 그룹을 검지하는데 작동될 수 있다. 이러한 개념은 평행 고속도 AFM(예를 들면, Minne, 1998;1999)까지 확대된다.
스캐닝 팁 접근법은 또한 표면의 매핑의 광학 검지에 적용된다. 예를 들어, 미국특허 제6,441,359호는 근접장 광학(near-field optics)이 캔틸레버 빔의 자유단부에서 실행되는 근접장 광학 스캐닝 시스템을 개시하고 있다. 이 특허문헌은 또한 광학 스캐닝 시스템을 위한 광학 요소의 어레이를 만들기 위한 마이크로제조 방법을 개시하고 있다. 상기 장치에서의 팁 대 샘플 거리는 상부 클로스(top close)를 샘플 표면에 유지시키도록 작동하는 광학 레벨 편향 시스템에 의해 제어된다. 이 시스템은 샘플에 매우 근접한 솔리드 임머젼 렌즈(solid immersion lens)를 스캐닝함으로써 또는 유효구경의 서브-파장 길이를 스캐닝함으로써 서브-파장 분해능을 달성할 수 있다. 이 장치는 개개의 화학 분자 그룹을 검지하는데 사용될 수 없거나 설계되지 않았고, 만들어진 신호의 매우 낮은 신호 레벨을 개의치 않는다. 근접장 광학 현미경(SNOM) 스캐닝은 예를 들어, Wolf에 의해 제안되었다.
화학 분석을 위한 하나의 매우 민감한 프로브는 표면 강화식 라만 분광기 사용이거나 SERS(예를 들면, Kneipp를 참조)이다. 게다가 SERS는 예를 들어 미국특허 제6,002,471호의 샘플 표면으로부터 고분해능 분광 정보를 얻을 목적으로 고분해능 스캐닝 현미경에 적용된다. 이 장치는 스캐닝 캔틸레버 빔의 자유 팁에서 작은 유도 요소(플라즈몬 공명 미립자 또는 PRP)를 포함하여, 프로브 근방에서 방출된 광을 강화한다. 작은 기판은 유리로 형성된다. 상기 특허문헌은 DNA 베이스와 같은 단일의 화학 구조를 해상하는 분광 분해능을 강화하도록 전자기 갭 모드를 이용하는 방법을 개시하거나 제안하지 않았으며, 상기 특허문헌은 스트레치 DNA 스트랜드와 같은 복수의 샘플을 병렬로 판독할 수 있는 시스템을 나타내지도 않고 있다.
본 발명의 한 측면에 있어서, 본 발명은 표면에 부착된 샘플에 있어서 화학 그룹의 식별성을 검사하기 위한 장치를 포함한다. 상기 장치는 플라즈몬 공명 기판 즉, 샘플이 지지되는 미러면을 갖춘 기판, 광 빔 바람직하게는 간섭 광 빔 원, 그리고 팁 구역을 갖춘 렌즈 조립체와 하나 이상의 플라즈몬 공명 미립자(PRPs)로 이루어진 나노렌즈를 구비하고 있다. 이 PRPs는 40nm 이하의 나노렌즈와 기판 사이의 갭에 있어서, 광 빔이 나노렌즈를 통과하여 나아갈 때, 기판 표면에서의 마주하는 검지 영역과 나노렌즈 사이의 공간에서의 근접장 전자기 갭 모드를 만들도록 팀 구역에 배치된다.
장치의 피에조-전기 구동장치(piezo-electric drive)와 같은 포커스 기구는 40nm 이하의 갭으로, 기판 표면으로부터 멀어지거나 그 쪽으로 렌즈 조립체를 이동시키도록 작동가능하여, 검지 영역에서 샘플에 의해 만들어진 라만 분광기 사용 신호를 강화하는 전자기 갭 모드를 만든다. 검지 영역에서 샘플로부터 산란되거나 방출된 광은 수용된 광을 특성 라만 스펙트럼으로 변화하는 디텍터에 수용되어, 검지 영역에서의 샘플 화학 그룹이 식별될 수 있다. 이 장치는 기판에 대해 렌즈 조립체를 이동시키기 위해 압전기 장치와 같은 이동기구를 포함하여, 기판의 상이한 검지 영역 위에 렌즈 조립체를 위치시킨다.
바람직하게 조립체에서의 나노렌즈는 기판의 평면에 수직인 중심 축선을 중심으로 대칭으로 배치된 상기 적어도 3개의 PRPs를 포함하는데, 여기서 각각의 PRP는 최대 치수가 50-200nm 보다 작고, 임의의 쌍의 PRPs를 가로지르는 거리는 실질적으로 광 빔의 파장보다 더 작다. PRPs는 구형이거나, 타원형이고 중심 축선을 교차하도록 향해진 주축선과 정렬된다. 본 실시예에서 광원은 원형으로 편광된 광, 바람직하게는 간섭 광 빔을 만들 수 있고, 이 편광 평면은 중심 축선에 수직이다.
렌즈 조립체는 캔틸레버 빔을 포함하는데, 이 캔틸레버는 캔틸레버의 자유단부에서 팁 구역을 갖고 있으면서, 포커스 기구는 빔과 작동가능하게 연결된다. 이 기구는 바람직하게 나노렌즈를 기판 표면의 0.1nm와 5nm 사이의 선택된 거리로 이동시키도록 작동한다.
핵산 스트랜드의 베이스(화학 그룹)를 연속으로 검사함으로써, 핵산의 선형 스트랜드를 시퀀싱하는데 사용하기 위하여, 기판은 스트래치된 선형 상태에서 핵산 스트랜드를 유지시키기 위해 분자 앵커를 포함하고, 이동 기구는 스트랜드의 각각의 베이스를 연속적으로 검사하고 식별하게 하기 위하여 스트랜드의 길이를 따라서 렌즈 조립체를 이동시키도록 작동한다. 실질적으로 복수의 핵산의 샘플을 동시에 검사하기 위하여, 장치는 복수의 선형으로 정렬된 캔틸레버 렌즈 조립체를 구비하여, 기판으로부터 멀어지거나 가까워지는 이들의 각각의 위치는 각각의 렌즈 조립체와 관련해 대응하는 포커스 기구에 의해 개별적으로 제어되고, 그리고 단일 이동 기구에 의해 유닛으로서 이동된다.
또 다른 측면에 있어서, 본 방법은 샘플에서 화학 그룹의 식별성을 검사하기 위한 방법을 포함한다. 플라즈몬 공명 미러면을 갖춘 기판에 샘플을 부착시킨 이후에, 광 빔은 상기 설명된 타입의 렌즈 조립체에서의 나노렌즈를 통하여 샘플로 향하여, 나노렌즈와 기판 사이의 갭이 40nm 이하일 때, 나노렌즈와 기판 표면위에서 마주하는 검지 영역 사이의 공간에서 근접장 전자기 갭 모드를 생성한다. 렌즈 조립체는 나노렌즈와 기판 표면 사이의 공간이 40nm 이하이면서 기판 표면으로부터 멀어지거나 가까워지는 쪽으로 이동되어 검지 영역에서 샘플에 의해 생성된 라만 분광기 사용 신호를 강화하는 전자기 갭 모드를 생성한다. 검지 영역에서 샘플로부터 산란되거나 샘플에 의해 방출된 광은 디텍터에 의해 수용되고 신호가 보내지고 있는 화학 그룹의 특성인 라만 스펙트럼으로 변환되어, 검지 영역에서의 샘플 화학 그룹은 식별하게 된다.
렌즈 조립체의 위치는 나노렌즈를 기판 표면의 0.1nm 와 5nm 사이의 선택된 갭 거리로 이동시키도록 제어된다. 나노렌즈는 기판 표면의 평면에 수직인 중앙축선을 중심으로 대칭되게 배치된 적어도 3개의 PRPs로 이루어지고, 각각의 미립자는 그 최대 치수가 50-200nm이하이며, 임의의 쌍의 미립자를 가로지르는 거리는 실질적으로 광 빔의 파장보다 작다. 렌즈로 향하는 광은 바람직하게 원형의 편광된 광 빔이고 그 편광면은 중앙 축선에 수직이다.
핵산의 선형 스트랜드를 시퀀싱하는데 사용하기 위하여, 샘플은 스트랜드를 선형으로 스트레치하고 기판에 스트랜드의 대향 단부를 고정함으로써 기판 표면에 부착된다. 본 방법은 스트랜드에서 일련의 화학 그룹 베이스에 인접한 나노렌즈를 위치시키기 위하여, 기판 위의 샘플에 대하여 렌즈 조립체를 이동시키는 단계를 더 포함한다. 핵산 샘플의 복수의 선형 스트랜드를 시퀀싱하는데 사용하기 위하여, 복수의 스트랜드는 평행 어레이의 기판 위에서 스트래치되어 고정된다. 복수의 이러한 렌즈 조립체, 즉, 어레이 캔틸레버 빔은 각각의 스트랜드에서 일련의 화학 그룹 베이스에 인접한 관련 나노렌즈를 위치시키기 위하여 DNA 스트랜드의 어레이에 대해 이동된다.
본 발명의 이러한 목적과 특징은 다음 첨부도면과 관련해 본 발명의 상세한 설명을 참조하면 보다 용이하게 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 구성된 장치의 구성요소의 배치도,
도 2a는 6개의 미립자 나노렌즈를 갖춘 본 발명의 일 실시예에 따라 구성된 나노렌즈에 원형의 편광된 광 빔을 향하게 함으로써 근접장 전자기 갭에서 발생되는 전자기 현상을 도시하고, 도 2b는 2와 6 PRPs 사이에서 형성된 나노렌즈를 도시하는 도면,
도 3a 및 3b는 본 발명에 따라, 통합된 나노렌즈를 갖춘 캔틸레버 빔의 단부 구역의 사시도(3a)와 단면도(3b),
도 4는 기판의 상부면에 고정된 줄지어 스트래치된 DNA 스트랜드를 갖춘 기판을 도시하는 도면,
도 5a 및 도 5b는 스트래치된 DNA 샘플에 있어서 일련의 개별적인 베이스를 탐지하기 위하여 본 발명에서 사용된 광학 현상을 도시하는 사시도(5a) 및 단면도(5b),
도 6a, 6b, 및 6c는 3개의 에지 스타 실버 나노렌즈의 수치제어식 시뮬레이션의 결과치를 도시하는 도면으로서, 도 6a는 2.45eV에서의 플라즈몬 공명에 따른 나노렌즈의 중심부에서의 장의 진폭의 주파수 디펜던스를 도시하는 도면; 도 6b는 y축을 따른 장의 분포를 도시하는 도면; 도 6c는 상부에서 보았을 경우 장의 분포를 토포그래프로 도시한 도면,
도 7a, 7b, 및 7c는 도 6a 내지 6c와 각각 같으나, 그러나 4개의 에지 스타 실버 나노렌즈의 수치제어식 시뮬레이션의 결과치를 도시하는 도면; 그리고
도 8은 PRP표면 근처에서 최대 3000의 증폭을 도시하는, x축을 따른 4개의 에지 스타 나노렌즈의 분포를 도시하는 도면.
A. 정의
만일 지시된 "플라즈몬 공명 금속"은 표면 전자기 모드-표면 플라즈몬 폴라리톤(surface plasmon polaritons : SPP)을 지지할 수 있는 금, 은, 또는 알루미늄과 같은 임의의 금속을 포함하지 않고, 이것은 광량자와 플라즈몬 모드에 연결되지 않으면, 아래의 용어는 다음과 같은 뜻이 있다.
샘플에서의 "화학 그룹"은 핵산 베이스와 같은 폴리머의 서브유닛, 핵산 베이스와 같은 서브유닛 모이어티(moiety), 또는 수산기, 아민, 알킬기, 또는 알데히드 그룹과 같은 화학 치환분기 그룹을 포함하고 있다. 이러한 화학 그룹은 독특히 강화된 라만(Raman) 스펙트럼의 시그너처나 특징에 의해 특징지워진다.
샘플에서의 "화학 그룹"은 2개 이상의 플라즈몬 공명 미립자 사이의 공간에서의 외부 전자기장에 의해 여기되고 플라즈몬 공명 미립자가 금속 표면, 바람직하게는 플라즈몬 공명 금속 표면으로부터 거의 (40nm이하) 배치될 때 전자기 표준 모드나 전자기 고유모드로 언급된다. 플라즈몬 공명 미립자의 실시예는 5nm 내지 200nm 크기의 범위에서 전형적으로 최대 치수를 갖는 은이나 금 미립자이다.
샘플의 "라만 스펙트럼의 강화된 갭-모드"는 샘플에서의 갭 모드의 존재로 강화된 샘플의 라만 스펙트럼에서의 스펙트럼의 특성을 참조한다.
B. 나노-분광기의 스캐닝을 위한 장치
도 1은 표면에 부착된 샘플에서 화학 그룹의 식별성을 검사하기 위한 전반적으로 부재번호 35로 지시된 장치를 도시한다. 스캐닝 스테이지(90)가 도면에 도시되었고, 스테이지 상에서 이송되는 DNA 칩 또는 기판(80)은 칩 표면에 고정되고 서로 평행하게 배치된 스트랜드(82)와 같이 복수의 스트래치된 DNA 스트랜드를 구비하고 있다. 칩 또는 기판 표면위 DNA 스트랜드와 같이 스트래치된 폴리머 스트랜드를 고정하기 위한 방법은 하기에 기재되어 있다. 본 실시예에서 중요한 특징에 따르면, 샘플이 지지된 칩 또는 기판의 표면은 은, 금, 또는 알루미늄과 같은 플라즈몬 공명 금속의 미러 코팅부를 구비하고 있다.
DNA 스트랜드는 피에조전기, 또는 전자기 운동 제어 스테이지와 같은 스테이지(90)를 스캐닝함으로써 스캔된다. 전자기 운동 제어로써 스테이지는 스캔 구역이 10센티미터 또는 그 이상에 이르게 하여, 개개의 염색체 모두를 갖춘 단일 분자 DNA 칩을 스캐닝한다.
바람직하게 간섭성 원형 편광의 광 빔은 레이저(10)에 의해 생성된다. 이 레이저는 CARS 및 펨토초(femtosecond) 유도된 라만 분광기 사용(D. McCamant)과 같은 비선형 라만 분광기 사용을 실행하기 위해 2개의 레이저를 포함한다. 전형적인 레이저 시스템은 펄스식 그리고 연속 작동 모드식 티타늄-사파이어(Ti-Sapphire) 파장 가변 레이저를 사용한다. 바람직하게 여기된 광 빔의 파장이 선택되고 플라즈몬 공명 기판의 플라즈몬 공명 흡수 스펙트럼에서 최대 스펙트럼 피크 에 매우 근접하도록 동조된다. 플라즈몬 나노렌즈로써 스캐닝하는 경우에 이 시스템(플라즈몬 나노렌즈+플라즈몬 공명 기판)의 플라즈몬 공명 흡수 스펙트럼은 주파수 조정을 고려할 수 있다. 플라즈몬 공명 기판 표면에 플라즈몬 나노렌즈의 나노스코픽 근접성 때문에 플라즈몬 흡수 스펙트럼이 변한다는 것을 아는 것은 중요하다.
광 빔은 빔 확대기에 의해 확대되거나, 빔 래스터(20)에서 빔을 스캐닝하게 된다. 이와 같이, 단일의 광 빔은 나노렌즈(60)의 어레이에서 개별 플라즈몬 나노렌즈로 각각 향하게 되는 광 빔의 어레이로 분기된다. 각각의 개별적인 광 빔은 빔 스플리터(30)와 조준 렌즈(40)를 통하여 마이크로렌즈 어레이(50)로 향하게 된다. 마이크로렌즈 어레이는 하기에 보다 상세하게 설명된 바와 같이, 캔틸레버 빔, 즉 빔(64)의 자유 단부에서 실행되는 각각의 플라즈몬 나노렌즈, 즉 어레이(60)에서의 렌즈(62)로 향하는 각각의 개별 광 빔의 개별적인 디지털 제어를 허용한다.
하기에 명확하게 기재된 바와 같이, 본 발명에 개시된 플라즈몬 갭 모드 나노렌즈는 플라즈몬 공명 표면에 매우 근접한 근접장 구역의 전자기장을 강화하기 위하여 그리고 매우 작은 나노스케일의 볼륨에 위치시키기 위하여 외부 전자기 파장으로써 금속 나노미립자 내측에 여기된 집중식 플라즈몬(집단 전자 진동)의 능력에 기초한다. 이러한 비-전파식 전자기장은 나노미립자 표면 근처에 매우 근접(수십 나노미터, 30-40nm)하여 집중되고 원거리장(far field) 구역에서 전자기장 전파와 구별하도록 "근접장 전자기장"이라 한다.
이어서 도 1을 참조하면, 캔틸레버 빔 어레이에서 각각의 플라즈몬 나노렌즈 에 적용된 광 빔은 미국 텍사스 댈러스에 위치한 Texas Instruments, Inc,에 의해 팔리는 상표명 "Digital Micromirror Device"과 같이 마이크로미세가공된 미러 조립체(50)에 의해 조정된다. 이러한 시스템은 각각의 개별 플라즈몬 나노렌즈 일루미네이션을 디지털 제어하고 각각의 플라즈몬 나노렌즈로부터 산란된 신호를 판독한다. 특히 이러한 시스템은 시퀀스 정보를 컴퓨터 메모리에 직접 디지털화함으로써 과도한 급속 직접 DNA 시퀀싱을 실행하는데 중요한 분산된 신호의 고속으로 프로그램된 개별 어드레스가능한 다중 채널 펄스식 모드 일루미네이션과 포착(acquisition)의 디지털 제어를 실행하는데 유용하다.
플라즈몬 나노렌즈와 샘플 DNA 사이의 거리는 피드백 캔틸레버 굽힘 시스템에 의해 유지된다. 이러한 제어 시스템은 예를 들어 미국특허 제5,883,705호의 원자 현미경이나 미국특허 제5,354,985호의 근접장 스캐닝 광학 현미경에 개시되었고 매우 잘 설명되었으며, 이들 특허문헌은 여기서 참조되어 구체화되었다. 스캐닝 과정 동안에 어레이(60)에서 각각의 캔틸레버 빔의 각각의 작동과 제어를 위한 한 방법이 여기서 참조되어 구체화된 미국특허 제6,441,359호에 상세하게 개시된 피에조 레지스터 피드백 제어를 사용한다.
각각의 플라즈몬 나노렌즈와 관련 DNA 샘플 사이의 거리는 도 2, 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이 근접장 전자기 갭 모드의 여기에 의해 기판 표면과 DNA 샘플과 나노렌즈 사이의 갭에서 최적의 장 증폭과 위치측정을 이루기 위하여 0.1nm 내지 수 나노미터의 레벨에서 유지되는게 바람직하다. 각각의 나노렌즈와 샘플이 유지되는 기판 표면 사이의 갭이 변함에 따라, 전자기 갭 모드의 강도 및 위치측정 은 또한 변한다. 따라서, 나노렌즈와 DNA 샘플(또는 기판 표면) 사이의 거리를 변경시킴으로써, 최대 산란된 광(판독된) 신호와 최대 공간 분해능을 달성하기 위하여, 전자기 갭 모드의 형상과 위치측정을 제어할 수 있다. 이들 갭 모드를 최적화시킴으로써, 기판의 표면에 움직이지 않게 된 DNA 스트랜드에서의 개개의 베이스 사이의 구별을 가능하게 하는 분해능의 레벨을 달성할 수 있다. 칩에서 DNA 스트랜드가 과도한 레벨로 스트래치되어 있기 때문에, 공간 분해능이 베이스로부터 베이스까지, 그리고 스트랜드로부터 스트랜드까지 가변할 필요가 있다. 그러나, 이 거리는 1나노미터보다 적은 수 나노미터의 범위에 있다.
도 1에 도시된 실시예에 있어서, 개개의 DNA 스트랜드와 상호작용하는 각각의 플라즈몬 나노렌즈로부터 후방 산란한 지오미터리에서 반사된 광은 마이크로렌즈 어레이(50), 조준 렌즈(40), 및 빔 스플리터(30)를 통하여 광섬유 리본(100)의 수용 단부로 뒤로 향한다. 그러나, 본 발명은 후반산란하는 광의 수집에 제한되지 않음을 알 수 있다. 본 발명의 또다른 실시예에 있어서, 일루미네이션 및 수집 지오미터리는 후방산란하는 지오미터리와 다르며, 이 경우 광 일루미네이션 및 수집 광 시스템은 별개이다.
광섬유 리본(100)을 통해 산란된 신호 광은 다중채널의 스펙트럼 분석기(110)의 단색광의 슬릿 위로 향하게 된다. 노치 필터(Notch filter)는 입사광을 제거하기 위해 사용된다. 회절 격자(120)는 개별 라만 스펙트럼으로 변하는 단색광의 광 빔의 세트로 산란된 광 빔을 분할한다. 디텍터 어레이(130)에서 얻어진 스펙트럼은 이때 디지털 형태로 변환되고 컴퓨터(140)로 전송되고, 여기서 이들은 칩에서의 DNA 샘플의 시퀀스 정보를 만들도록 처리된다. 여기서 도시되지는 않았으나, 또 다른 적당한 광 디자인이 이전에 개시된 (예를 들면 F. Zenhausen) 것과 같은 간섭 검지 방법을 사용한다.
C. 나노렌즈 작동 및 제조
이러한 섹션은 렌즈가 광 빔, 즉 간섭 및/또는 원형 편광된 광 빔에 의해 일루미네이트될 때 위치된 갭 모드를 만들기 위하여, 샘플 기판의 스무스한 금속 표면에 매우 근접하여 위치되도록 설계된 특정 나노렌즈 구조를 개시한다. 이들 모드는 서브-나노미터 분해능을 달성하기 위해 높은 공간 분해능으로써 그리고 DNA 스트랜드의 개별 베이스와 같은 단일의 작은 분자의 스펙트럼 시그너처의 검지를 허용하는 단일 증폭으로써, 미러 기판 표면의 나노렌즈 사이의 공간에 배치된 분자의 광학 판독을 지시하는데 사용된다.
나노렌즈의 가장 일반적인 디자인은 서로에 대해 선택된 형상과 선택된 미립자 지오미터리를 구비한 하나의 그리고 바람직하게는 복수의(예를 들면, 2-6) 금속 나노미립자를 포함한다. 비록 난잡한 프랙탈(disordered fractal)과 같은, 다른 지오미터리가 또한 고려될지라도, 바람직한 미립자 지오미터리는 하기에 설명된 바와 같이, 중심축선에 대해 미립자가 대칭적으로 배치된다. 렌즈를 형성하는 나노미립자는 상이한 형상과 치수를 갖고 있고 서로 나노스코픽 근방에 배치된다. 그러나 각각의 나노미립자와 시스템의 전체의 최대 치수는 일루미네이팅 광의 파장을 초과하지 않는다. 예를 들어, 크기가 20nm - 50nm 사이의 범위에 있는 나노미립자가 바람직하다.
도 2는 빔의 자유(먼) 단부에서 6개의 미립자 나노렌즈(180)를 이동시키는 캔틸레버 빔(160)의 일부분의 상세한 사시도이다. 도시된 바와 같이, 레이저 원으로부터 원형의 편광된 빔(190)은 마주하는 렌즈 광학(50)을 통하여 나노렌즈(180)에 향하게 된다. 나노렌즈는 투명의 유전체의 재료로 형성된 호울더(170)에 장착되고, 이것은 일 실시예에 있어서 스캐닝 프로브 장치에 있는 샘플과 나노렌즈 사이의 거리를 제어하는데 사용되는 캔틸레버(160)의 자유단부이다. 나노렌즈는 샘플 기판위 금속의 미러 표면(200)에 매우 근접하여 위치된다. 공초점 렌즈에 의해 향해지는 원거리장 빔이 1 마이크론보다 약간 작거나 그 정도의 점 크기로 초점이 맞춰지며, 이것은 회절 렌즈 한계에 의해 결정되고, 나노렌즈의 크기(나노렌즈 미립자(182)의 외접원의 직경)는 50nm - 200nm 즉, 일루미네시션 광의 파장보다 작은 범위에 있는 것이 바람직하다. 또한 도면에 도시된 바와 같이, 광 일루미네이션 구역(부재번호 350으로 지시된 점선의 원)은 통상적으로 나노렌즈의 영역보다 더 크다. 그러나, 촛점을 맞추기 위하여 0.5 - 1.0 마이크론 직경의 나노렌즈를 만들 수 있다. 이런 경우에, 나노렌즈는 위치된 플라즈몬의 여기를 통해 나노렌즈의 중심에 전자기 에너지를 집중시키는 나노안테나로써 작동한다.
도 2a에 도시된 실시예에 있어서, 플라즈몬 나노렌즈(185)는 미립자(182)와 같은 6개의 금속 나노미립자로 이루어진 별형상의 구조를 갖고 있고, 각각의 미립자는 크게 편심된 장형의 회전 타원체나, 또는 단부에서 반구형 캡을 갖는 원통형 나노 로드나, 또는 금속의 나노 와이어 중의 하나의 형상이다. 이러한 미립자 지오미터리는 또한 도 2b에서 부재번호 185로 도시되었으며, 나노렌즈에 따라 렌즈용 미립자 구성체(195, 205, 215 및 225)는 각각 5개, 4개, 3개, 및 2개의 미립자를 갖고 있다.
상기한 바와 같이, 각각의 나노렌즈는 레이저 빔이나 또는 원형의 편광의 비간섭 전자기 파장에 의해 일루미네이션되는게 바람직하다. 도 2a에서 부재번호 200으로 지시된 전자기장의 최대 강화는 나노렌즈의 축선에 근접한 렌즈의 중앙부에서 이루어진다. 이 구역은 수nm나 그보다 적은 직경을 갖는다. 1500-3000에 이르는 장 증폭 요소는 아래의 도 6a-도 6c, 도 7a-도 7c, 및 도 8에 대해 아래 설명된 수치 시뮬레이션의 결과로써 도시된 바와 같이 나노렌즈의 센터에서 달성된다. 이 증폭 요소는 구형의 나노미립자와 종래기술상 알려진 나노미립자의 다른 형상으로 이루어진 구성으로 달성되는 증폭을 상당히 초과한다. 300의 수치 시뮬레이션으로 달성되는 최대 국부 장 증폭이 기록되었다(H. Xu).
본 발명의 나노렌즈는 여러 알려진 방법에 의해 만들어질 수 있다. 일반적으로, 나노렌즈는 전자 빔 평판인쇄에 기초하거나 또는 빔 평판인쇄(G.R. Brewer)에 초점이 맞춰지거나, 또는 스캐닝 터널링 마이크로스코피 평판인쇄(Scanning Tunneling Microscopy Lithography)에 기초하여 만들어진 나노제조 방법을 사용하여 캔틸레버 빔과 통합하여 제조된다. 또 다른 제조 방법은 형판 조력식 자체 조립에 기초한다(Y.Xia). 딥펜(dip-pen) 나노평판인쇄와 같은 선택적인 방법은 상이한 지지 재료(예를 들면, D. Ginger)나 또는 DNA 기초 자체 조립 기술(예를 들면, C.M. Niemeyer)에서 플라즈몬 나노렌즈를 만들도록 사용된다. 일 실시예에 있어서, 플라즈몬 나노렌즈는 스캐닝 프로브 장치의 부분인 캔틸레버 자유단부에서 통 합되고, 원자 현미경(Atomic Force Microscope:AFM) 이나 스캐닝 근접장 광학 현미경(Scanning Near Field Optical Microscope:SNOM)과 같은 스캐닝 프로브 장치에서 스캐팅하는 동안에 나노렌즈와 샘플 사이의 거리를 제어하는 캔틸레버 팁의 작동을 동시에 실행시킬 수 있다. 도 3에는 스캐닝 프로브 분광 장치의 캔틸레버에 통합된 플라즈몬 나노렌즈의 하나의 가능성 있는 실시예가 도시되었다.
도 3은 플라즈몬 나노렌즈가 스캐닝 프로브 분광 장치의 캔틸레버의 자유단부에 어떻게 통합되고, 샘플의 스캐팅 동안에 나노렌즈와 샘플 사이의 거리를 제어하는 캔틸레버 팁의 작동을 동시에 실행시키는 것을 도시하고 있다. 캔틸레버(160)는 불투명한 재료부(260)와 광학 윈도우(250)를 형성하는 광학 투명부(170)를 구비한 복합재료로 만들어져, 입사된 원형 편광된 광이 나노렌즈(180)와 교차하고 위치된 플라즈몬(LP)과 갭 모드(GM)를 효과적으로 여기시킨다.
D. 샘플을 포함한 기판의 준비
장치에서의 기판 또는 지지부는 표면에 매우 근접한 전자기장을 강화하도록 설계되고, 은, 금, 또는 알루미늄과 같은 플라즈몬 공명 재료로 박막으로 코팅된다. 막 두께는 25nm - 200nm 바람직하게는 50nm인 것이 바람직하다. 예를 들어 유리 기판과 같은 적합한 기판은 진공 증착이나 rf 스퍼터링 기술과 같은 알려진 방법에 의해 금속막으로 코팅된다. 전형적인 기판 코팅과 코팅 생산 방법은 미국특허 제5,611,998호에 개시되었으며, 광화학 센서 및 이를 생산하기 위한 방법(Optochemical sensor and method for production)에 대한 상기 문헌은 여기서 참조되었고 V. Matyushin과 관련해 여기서 또한 참조되었다.
예를 들어, 100나노미터로부터 2.5밀리미터에 이르는 길이를 갖춘 DNA 스트랜드는 도 1에서 부재번호 82로 도시된 바와 같이 기판에 위치된다. 스트랜드 사이의 거리는 200-300 마이크론의 범위에 있고 캔틸레버 어레이에서 인접한 캔틸레버 사이의 거리에 대응한다. 광섬유 리본의 경우에 평균 피치가 250 마이크론의 피치에 대응하는 250 마이크론의 거리가 바람직하다.
도 4에는 본 발명의 장치와 방법에서 사용하기 위한 전형적인 칩 또는 기판(80)이 도시되었다. 여기 도시된 바와 같이, 예를 들어, DNA 샘플은 2.5 마이크로미터(5 Mbase)에 이르는 길이의 단일의 스트랜드 DNA 조각의 형태로 게놈 DNA로부터 얻어진다. 부재번호 210으로 지시된 스트랜드는 플라즈몬 공명 광학 강화 특성을 가진 슬라이드 또는 기판(80) 표면에 배치된다. 이들은 어드레스할 수 있는 방식으로 순차로 배치된다. DNA 스트랜드의 각각의 단부는 우측/좌측 바코드(220a 및 220b)에서 복잡한 올리고뉴클레오티드에 부착된다. 스트랜드 사이의 거리는 200-300 마이크론의 범위에 있고 캔틸레버 어레이에서 인접한 캔틸레버 사이의 거리에 대응한다. 표준 광섬유 리본의 피치에 대응하는 250 마이크론의 피치에 대응하는 250 마이크론의 거리가 적당하다.
DNA, RNA, 핵 아날로그(nucleic analogs), 폴리펩티드, 선형 탄수화물 등과 같은 선형 폴리머 샘플을 스트래치하고 향하게 하는 방법은 공지되었다. 예를 들어, 샘플 폴리머, 즉 DNA의 대향 단부는 라텍스나 유지 비드와 같은 마이크로구체에 공유결합되게 부착되고, 이 비드는 적당한 정도로 스트래치되어 있을 때까지 펄스식 레이저 분자 핀셋에 의해 조정되고, 바람직하게 과도한 스트래치가 이루어진 다. 이러한 접근법은 도 4에 도시되었고, 상기 도 4는 DNA 스트랜드(210)의 대향 단부에 부착된 마이크로구체(290a, 290b)를 도시한다. 각각의 구체는 기판 표면에 배치하기 위해 스트랜드를 스트래치하고 향하도록 구체를 조정하기 위하여 빔(300a, 300b)과 같은 레이저 빔으로써 "캡쳐"된다. 일단 이러한 배치가 이루어지면, 스트랜드의 끝 구역은 기판의 바코드 구역에 부착된 복잡한 올리고뉴클레오티드와 연결되어 기판에 고정된다. 레이저 빔에서 마이크로구체를 캡쳐하고 조정하기 위한 방법은 예를 들면 미국특허 제5,620,857호 및 미국특허출원 제2004-0001371호에 개시되었고, 이들 양 특허문헌은 여기서 함께 참조되었다.
이러한 접근법에 있어서, 폴리머 스트랜드의 단부는 자기 빔 또는 솔리드 지지부와 자기 비드에 공유결합되고, 그리고 자기장은 적당한 정도의 스트래치와 스트랜드 향함이 이루어질 때까지 비드에 적용된다. 보다 일반적으로, 스트랜드의 대향 단부는 한쌍의 상대 이동 지지부에 부착되고, 상기 지지부는 소정 정도의 스트래치와 향함이 예를 들어 여기서 참조되고 구체화된 미국특허 제6,342,353호에 개시된 바와 같이 만들어질때까지 위치된다.
좁은 마이크로채널에서 전기이동에 의해 선형 형성부로 충전된 폴리머 스트랜드를 끌어내기 위한 방법 또한 공지되었다.
일단 폴리머 스트랜드가 스트래치되어 기판에 부착하기 위해 향하게 되면, 샘플 분자는 많은 수의 적합한 고정 방법에 의해 기판에 고정된다. 상기 기재한 바와 같이, 샘플 DNA 스트랜드의 끝부 영역에서 시퀀스와 잡종시킬 수 있는 끝부 영역 올리고뉴클레오티드에 의해 제공된다. 스트랜드가 스트랜드 끝부에 공유결합 되게 부착된 미립자를 조정함으로써 스트래치되어 있는 곳에서, 기판은 스트랜드가 스트래치된 상태에서 기판에 미립자를 고정하기 위해 화학 그룹이나 자기 구조체를 포함할 수 있다. 금 표면을 위한 하나의 공통 화학 부착부 화학 반응은 샘플 스트랜드의 끝부 영역에서 공유결합되게 실행되는 티올 시약이다.
보다 일반적으로, DNA 분자가 고정되는 기판 표면의 준비 절차는 종래기술로서 DNA 잡종 검지 방법(예를 들면, J.P Rabe를 참조)로 공지되었다.
E. 스캐닝 및 검지 방법
상기한 바와 같이, 본 발명의 장치와 방법의 중요한 응용은 염색체 이상이나 완전한 게놈 DNA와 같은 핵산 샘플을 시퀀싱하는 것이다. 이 섹션은 상기 장치의 작동과 이 특정 응용에 관한 본 발명의 방법을 설명할 것이고, 식별한 작동과 방법이 임의의 샘플에서 화학 그룹의 검사에 적용될 수 있음을 알 수 있을 것이다.
가장 간단하게는, 본 방법은 기판위 정의된 검지 영역에 위치된 단일 분자나 또는 간단한 분자의 수집의 하나 이상의 화학 그룹을 검사하는데 사용된다. 이러한 경우에 있어서, 구별되는 강화된 라만 스펙트럼 특성의 최대 강화부가 관찰될 때까지, 예를 들면 캔틸레버 빔의 자유단부에서 실행된 단일의 나노렌즈가 예를 들면, 10-40 마이크론보다 적은 범위의 거리에서 샘플쪽으로 이동된다. 선택적으로, 스펙트럼 특성이 기록되어 나노렌즈가 선택적으로 기판의 표면에 멀어지거나 가까워지는 쪽으로 이동하여 샘플의 시변(time-variant) 스펙트럼을 산출한다. 예를 들어, 0.1nm 내지 10nm의 범위에 있는 나노렌즈 진동은 시변 스펙트럼 생성에 사용된다.
보다 일반적으로, 화학 그룹의 식별성을 검사하기 위한 본 발명의 방법은 샘플이 지지되고 플라즈몬 공명 금속이 형성되는 미러 표면을 갖춘 기판에 샘플을 부착하는 제 1 단계를 포함한다. 나노렌즈와 기판 사이의 갭이 30nm 이하일 때, 광 빔은 나노렌즈와 기판 표면위 마주하는 검지 영역 사이의 공간에 있는 근접장 전자기 갭 모드를 생성하도록 상기 기술된 타입의 나노렌즈에 향하게 된다. 이때 렌즈 조립체는 나노렌즈와 기판 표면 사이의 공간이 40nm이하로 유지하면서 기판 표면에 가까워지거나 멀어지는 쪽으로 이동하여, 검지 영역에 있는 샘플에 의해 생성된 라만 분광기 사용 신호를 강화하는 전자기 갭 모드를 생성한다. 검지 영역에서 샘플로부터 분산되거나 방출된 광은 갭 모드 강화된 라만 스펙트럼으로 탐지되고 변환됨으로써 수용되어, 검지 영역에서 샘플 화학 그룹이 식별하게 된다.
연속의 베이스 그룹의 식별성을 위해 핵 샘플의 경우와 같이, 샘플이 샘플 분자의 선형 부분을 따라서 정렬된 복수의 그룹을 포함하는 곳에서, 방금 설명된 절차가 각각의 베이스에 연속적으로 적용되어, 나노렌즈가 기판에 상대적으로 이동된다. 이러한 이동은 고정 나노렌즈에 대한 고정 기판의 기판 스테이지 이동에 대한 캔틸레버 이동에 의해 실행된다. 나노렌즈가 각각의 연속된 위치에 위치됨으로서, 상기 기재한 바와 같이 광학 검지 거리를 찾기 위하여, 또는 시변 스펙트럼을 생성하기 위하여 샘플로부터 멀어지거나 가까워지는 쪽으로 이동된다. 렌즈 및 샘플 베이스는 여러 기재 기술중 하나에 의해 기재된다. 예를 들면, "제어" 나노렌즈는 기판위에서 실행되는 공지된 시퀀스 DNA 샘플에 있는 검지 베이스를 트랙한다. 이 시퀀스를 트랙함으로써, 하나 이상의 알려지지 않은 시퀀스 샘플을 따라 서, 렌즈와 기판 사이의 상대 이동이 샘플과 연속의 DNA 베이스 사이의 기재를 보존하도록 작동하는 것을 장치가 확인한다. 선택적으로, 장치에 있는 하나의 캔틸레버 빔은 DNA 스트랜드를 따라서 캔틸레버 장치의 어레이가 이동하는 것과 같이, 제어 DNA 스트랜드의 각각의 베이스 위에서 팁의 이동을 검지하기 위한 스캐닝 원자 현미경 팁일 수 있다.
보다 통상적인 경우에 있어서, 예를 들어, DNA 스트랜드와 같은 복수의 선형 샘플 스트랜드는 도 1의 장치에서 부재번호 82로 도시된 바와 같이, 복수의 나노렌즈에 의해 동시에 판독하기 위한 단일 기판에 정렬된다. 도 5a 및 도 5b는 기판(310)에서 실행되는 스트랜드(210)와 같은 복수의 스트래치되고, 정렬된 DNA 스트랜드를 판독하는데 적용되는 작동을 도시한다. 비록 도면이 캔틸레버 빔의 자유 단부에서 나노렌즈(180)를 지지하는 캔틸레버 빔(160)으로 이루어진 단일의 렌즈 조립체를 도시할지라도, 기판위 정렬된 스트랜드의 각각에 대한 하나의, 렌즈 조립체의 어레이를 포함하는 것을 알 수 있다.
렌즈 조립체의 그룹이 기판을 따라서 이동함으로서, 각각의 렌즈 조립체는 스펙트럼 신호를 최적화하도록 수직으로(기판쪽 방향으로) 조정된다. 도 5b에 도시된 바와 같이, 이 수직 운동은 플라즈몬 공명 표면이 부재번호 310으로 지시되고, 부재번호 185의 PRP에 의해 형성된 렌즈 사이의 근접장 전자기 모드의 집중에 의해 생성된 갭 모드를 배치시키는데 효과적이다.
각각의 스트랜드 화학 그룹(베이스)의 강화된 라만 스펙트럼은 다중채널 라만 분광사진기를 사용하여 연속으로 측정되고 디지털 기록을 갖춘 2차원 ICCD 어레 이에 의해 디지털화된다. 라만 분광계로부터의 신호가 또 다른 분석을 위해 컴퓨터 메모리에 저장된다. 최종 결과는 뉴클레오티드 A, T, G, C의 베이스의 시퀀스의 형태로 얻어진다. 스캐닝 처리 과정 중에 나노렌즈 팁은 스펙스토스코픽 및 토포그래픽 양자로 DNA 스트랜드에 있는 각각의 베이스(A, T, G, C)를 검지할 것이다.
SERS 스펙트럼은 연속적으로 각각의 베이스에 기재되고 이 각각의 베이스는 상기 베이스의 특징인 유일한 강화 스펙트럼 시그너쳐에 의해 DNA에 있는 각각의 특정 베이스(A, T, G, C)를 식별하게 하여, DNA 분자의 개별 파편을 새로이 시퀀싱에 향하게 한다. 플라즈몬 공명 기판에서 얻어진 A, T, G, 및 C의 SERS 스펙트럼은 상이한 베이스가 식별시되는 독특한 스펙트럼을 수용하는게 알려졌다. 본 발명은 렌즈와 기판 사이의 작은 갭에 있는 여기 장을 포커스함으로써, 그리고 라만 신호의 갭 모드 강화부를 이용함으로써 DNA의 개별 베이스가 식별시되어 베이스마다 DNA 판독을 향하게 한다.
어레이에 사용되는 광섬유 팁을 갖춘 캔틸레버의 개수는 원칙적으로 제한이 없으나, 그러나, 가장 큰 인간 염색체(대략 263 밀리언 베이스를 포함하는 인간 염색체 No 1)의 하나의 스캔 시퀀싱을 위하여, 장치는 대략 2.5-3.0 메가베이스의 파편을 각각 판독하는 대략 100 렌즈 조립체를 필요로 한다. 0.01초의 샘플링 시간을 가정하면, 이 장치는 대략 10시간의 스캔 시간보다 적은 이러한 염색체를 완전히 시퀀스한다. 실제 이러한 장치를 사용하여 베이스당 0.01 내지 1초의 샘플링 속도로 어레이(채널당 1 DNA 스트랜드)에 있는 수백의 채널에 거의 평행하게 실행 될 수 있다.
보다 일반적으로, 샘플의 화학 그룹의 식별성을 검사하기 위한 본 발명의 방법은 샘플이 지지되고, 그리고 플라즈몬 공명 금속으로 형성된 미러 표면을 갖춘 기판에 샘플을 부착시키는 제 1 단계를 포함한다. 나노렌즈와 기판 사이의 갭이 4nm이하일 때, 광 빔은 나노렌즈와 기판 표면위 마주하는 검지 영역 사이의 공간에 있는 근접장 전자기 갭 모드를 생성하도록 상기 기재한 타입의 나노렌즈에 향하게 된다. 이때 렌즈 조립체는 나노렌즈와 기판 표면 사이의 공간이 40nm이하 이면서, 기판 표면에 멀어지거나 가까워지게 이동되어, 검지 영역에 있는 샘플에 의해 생성된 라만 분광기 사용 신호를 강화하는 전자기 갭 모드를 생성한다. 검지 영역에서 샘플로부터 분산되거나 방출된 광은 갭 모드 강화된 라만 스펙트럼으로 검지되고 변환되어 수용되어, 검지 영역에서 샘플의 화학 그룹은 식별하게 된다.
본 발명에서 달성되는 라만 스펙트럼 증폭 정도는 도 6 내지 도 8로부터 알 수 있다. 이들 도면에 있어서, 전자기장 강도(E)는 시스템을 모델링하고 적분 방정식 근사법(integral equation approximation)을 사용하는 근접장 근사법에서 맥스웰 방정식을 해석함으로써 계산된다.
도 6은 3개의 미립자 렌즈에 대한 eV 함수로서 E의 변화를 도시한다. 렌즈의 중심 영역에서의 장 분포는 도 6c에 도시되었다. 도 6b는 선 x=0 을 따라, 도 6c에서 y축을 따라 취해진 장 강도를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 장 강도 증폭은 도 6c에 있어서 상부 미립자에 근접하는 y=0.5 지점에서 대략 최대 1,400(입사광을 넘어서는 증폭)에 도달한다.
도 7a 내지 도 7c는 이와 유사하게 도시되었으나, 여기서 렌즈는 도 7c에서의 장 분포 다이어그램으로 알 수 있는 바와 같이 4개의 대칭 미립자로 구성된다. 도 7b는 0인 x선을 따라 E가 대칭적으로 분포되고 y축이 바닥부로부터 상부로 변하는 것을 도시한다. 도 8은 -1, -1과 +1, +1 사이에서 그래프가 도시되었을 때, 중앙으로부터 멀리 있는 미립자 사이의 지점 근처에서 거의 3000의 증폭을 나타내는 것을 도시하고 있다.
일반적인 기구에 따라, 라만 강화부는 전자기 강화부이고, 여기서 라만 신호는 E4(M.Moskovits, Rev. Mod. Phy. v. 57, p. 783, 1985)에 비례하고 여기서 E는 분자 구역에서 장의 국부 강화부이다. 장 증폭 계수 500인 경우에, 라만 신호 강화부는 5004=6.25 1010이며, 이것은 문헌에 기록된 것보다 상당히 더 크다. 이러한 강화부를 얻기 위하여, 샘플 분자는 다중 미립자 나노렌즈의 중앙부에 있을 수 있다. 그러나, 분자는 또한 플라즈몬 공명 표면을 폐쇄하면, 장 강화부는 8.1x1015에 이르는 라만 신호 강화부를 수용하는 3000만큼 높아, 단일 분자 화학 그룹이 검지된다.
본 발명이 특정 실시예와 특별한 경우에 대해 기재되었을지라도, 본 발명에 대한 여러 변경과 수정이 본 발명의 범주를 벗어나지 않음을 알 수 있을 것이다.
Claims (18)
- 샘플이 지지되고, 플라즈몬 공명 금속으로 형성된 미러면을 구비한 기판,광 빔 원,광 빔이 나노렌즈를 통과할 때, 나노렌즈와 기판 사이의 갭이 0.1 내지 40nm 사이일 때, 나노렌즈와 기판 표면위 마주하는 검지 영역 사이의 공간에 있는 근접장 전자기 갭 모드를 생성하기 위하여 팁 영역에 배치되고 정렬된 하나 이상의 플라즈몬 공명 미립자로 이루어진 나노렌즈와 팁 영역을 갖춘 렌즈 조립체,검지 영역에 있는 샘플에 의해 생성된 라만 분광기 사용 신호를 강화하는 전자기 갭 모드를 생성하기 위하여, 0.1 내지 40nm 사이의 갭으로, 렌즈 조립체를 기판 표면으로부터 가까워지거나 멀어지는 쪽으로 이동시키기 위한 포커스 기구,검지 영역에서 샘플로부터 방출되거나 분산된 광을 수용하고, 수용된 광을 갭 모드 강화된 라만 스펙트럼으로 변환하여 검지 영역에서 샘플 화학 그룹을 식별시하는 디텍터, 및기판의 상이한 검지 영역 위에 렌즈 조립체를 위치시키기 위하여 상기 기판과 관련한 렌즈 조립체를 이동시키는 이동 기구,를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면에 부착된 샘플에서 화학 그룹의 식별성을 검사하기 위한 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 조립체에 있는 나노렌즈는 기판 표면인 평면에 수직 인 중심축선에 대하여 대칭적으로 배치된 적어도 3개의 상기 플라즈몬 공명 미립자를 포함하고, 각각의 미립자는 그 최대 치수가 200nm보다 작고, 그리고 임의의 쌍의 미립자를 가로지르는 거리는 실질적으로 광 빔의 파장보다 작은 것을 특징으로 하는 표면에 부착된 샘플에서 화학 그룹의 식별성을 검사하기 위한 장치.
- 제 2 항에 있어서, 상기 미립자는 구형인 것을 특징으로 하는 표면에 부착된 샘플에서 화학 그룹의 식별성을 검사하기 위한 장치.
- 제 2 항에 있어서, 상기 미립자는 타원형이고 그 주축이 상기 중심 축선과 교차하도록 향하여 배치된 것을 특징으로 하는 표면에 부착된 샘플에서 화학 그룹의 식별성을 검사하기 위한 장치.
- 제 2 항에 있어서, 상기 광 원은 원형의 편광된 광 빔을 생성하며 그 편광 평면은 상기 중심 축선에 수직한 것을 특징으로 하는 표면에 부착된 샘플에서 화학 그룹의 식별성을 검사하기 위한 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 렌즈 조립체는 그 자유 단부에서 팁 영역을 갖춘 캔틸레버 빔을 포함하는 것을 특징으로 하는 표면에 부착된 샘플에서 화학 그룹의 식별성을 검사하기 위한 장치.
- 제 6 항에 있어서, 상기 포커스 기구는 상기 빔에 작동가능하게 연결된 피에조 전기 구동장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면에 부착된 샘플에서 화학 그룹의 식별성을 검사하기 위한 장치.
- 제 7 항에 있어서, 상기 포커스 기구는 기판 표면의 0.1nm와 5nm 사이에서 선택된 거리로 상기 나노렌즈를 이동시키도록 작동하는 것을 특징으로 하는 표면에 부착된 샘플에서 화학 그룹의 식별성을 검사하기 위한 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 이동 기구는 피에조 전기 구동장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면에 부착된 샘플에서 화학 그룹의 식별성을 검사하기 위한 장치.
- 제 1 항에 있어서, 핵산의 선형 스트랜드를 시퀀싱하는데 사용하기 위하여, 핵산의 스트랜드의 화학 그룹 베이스를 검사함으로써, 기판은 핵산의 스트랜드를 선형으로 스트래치되어 있는 상태로 유지시키기 위해 분자 앵커를 포함하고, 그리고 이동 기구는 스트랜드의 각각의 베이스를 순차로 검사하고 식별시하기 위하여 스트랜드의 길이를 따라서 렌즈 조립체를 이동시키도록 작동하는 것을 특징으로 하는 표면에 부착된 샘플에서 화학 그룹의 식별성을 검사하기 위한 장치.
- 제 10 항에 있어서, 복수의 실질적으로 선형 샘플을 동시에 검사하기 위하여, 상기 장치는 복수의 선형으로 정렬된 캔틸레버 렌즈 조립체를 포함하고, 기판 표면으로부터 멀어지거나 가까워지는 그 각각의 위치는 각각의 렌즈 조립체와 관련된 대응하는 포커스 기구에 의해 개별적으로 제어되고, 그리고 단일의 이동 기구에 의해 유닛으로써 이동되는 것을 특징으로 하는 표면에 부착된 샘플에서 화학 그룹의 식별성을 검사하기 위한 장치.
- 제 11 항에 있어서, 핵산의 선형 스트랜드를 시퀀싱하는데 사용하기 위하여, 핵산의 스트랜드의 화학 그룹 베이스를 검사함으로써, 기판은 각각의 핵산의 스트랜드를 선형으로 스트래치되어 있는 상태로 유지시키기 위해 분자 앵커를 포함하고, 그리고 이동 기구는 스트랜드의 각각의 베이스를 순차로 검사하고 식별시하기 위하여 스트랜드의 길이를 따라서 렌즈 조립체를 이동시키도록 작동가능한 것을 특징으로 하는 표면에 부착된 샘플에서 화학 그룹의 식별성을 검사하기 위한 장치.
- 샘플 화학 그룹이 검지 영역에서 식별되기 위하여,샘플이 지지되고 플라즈몬 공명 금속으로 형성된 미러 표면을 갖춘 기판에 샘플을 부착하는 단계,나노렌즈와 기판 사이의 갭이 0.1 내지 40nm 사이일 때, 나노렌즈와 기판 표면 위 마주하는 검지 영역 사이의 공간에 있는 근접장 전자기 갭 모드를 생성하기 위하여, 팁 영역에 배치되고 팁 영역에 정렬된 하나 이상의 플라즈몬 공명 미립자로 이루어진 나노렌즈와 팁 영역을 갖춘 렌즈 조립체에 있는 나노렌즈에 광 빔을 향하게 하는 단계,검지 영역에 있는 샘플에 의해 생성된 라만 분광기 사용 신호를 강화하는 전자기 갭 모드를 생성하기 위하여, 나노렌즈와 기판 표면 사이에 0.1 내지 40nm 사이의 공간을 두면서 기판 표면에 멀어지거나 가까워지게 렌즈 조립체를 이동시키는 단계,검지 영역에서 샘플로부터 방출되거나 분산된 광을 수용하는 단계, 및수용된 광을 갭 모드 강화된 라만 스펙트럼으로 변환시키는 단계,를 포함하는 것을 특징으로 하는 샘플에서 화학 그룹의 식별성을 검사하기 위한 방법.
- 제 13 항에 있어서, 상기 이동시키는 단계는 기판 표면의 0.1nm와 5nm 사이에서 선택된 갭으로 상기 나노렌즈를 이동시키기 위하여 실행되는 것을 특징으로 하는 샘플에서 화학 그룹의 식별성을 검사하기 위한 방법.
- 제 13 항에 있어서, 상기 향하게 하는 단계는 기판 표면인 평면에 수직인 중심 축선에 대하여 대칭적으로 배치된 상기 하나 이상의 플라즈몬 공명 미립자 중 적어도 3개의 플라즈몬 공명 미립자를 포함하는 나노렌즈에 광 빔을 향하게 하는 단계를 포함하고, 각각의 미립자는 그 최대 치수가 200nm보다 작고, 그리고 임의의 쌍의 미립자를 가로지르는 거리는 실질적으로 광 빔의 파장보다 작은 것을 특징으로 하는 샘플에서 화학 그룹의 식별성을 검사하기 위한 방법.
- 제 15 항에 있어서, 상기 향하게 하는 단계는 상기 렌즈 위로 향하게 하는 단계를 포함하고, 원형의 편광된 광 빔의 편광 평면은 상기 중심 축선에 수직인 것을 특징으로 하는 샘플에서 화학 그룹의 식별성을 검사하기 위한 방법.
- 제 15 항에 있어서, 핵산의 선형 스트랜드를 시퀀싱하는데 사용하기 위하여, 상기 부착시키는 단계는 스트랜드를 선형으로 스트래치하는 단계와, 스트랜드의 대향 단부를 상기 기판에 고정시키는 단계를 포함하고, 스트랜드에서 일련의 화학 그룹 베이스에 인접한 나노렌즈를 위치시키기 위하여 기판 위 샘플에 대해 렌즈 조립체를 이동시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 샘플에서 화학 그룹의 식별성을 검사하기 위한 방법.
- 제 17 항에 있어서, 핵산 샘플의 선형 스트랜드를 시퀀싱하는데 사용하기 위하여, 상기 부착시키는 단계는 복수의 평행한 스트랜드에 샘플을 고정시키는 단계를 포함하고, 상기 이동시키는 단계는 각각의 스트랜드에서 일련의 화학 그룹 베이스에 인접한 나노렌즈를 위치시키기 위하여 기판 위 샘플에 대해 렌즈 조립체를 이동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 샘플에서 화학 그룹의 식별성을 검사하기 위한 방법.
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