KR101226677B1 - 위상 천이 간섭을 이용한 바이오 센서 측정 시스템 - Google Patents

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박준규
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서강대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 바이오 센서 측정 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따른 위상천이 간섭을 이용한 바이오 센서 측정 시스템은 광을 제공하는 광원; 상기 광이 진행되는 경로에 위치하여, 광이 한쪽 방향으로만 진행이 되도록 하는 광고립장치; 상기 광고립장치로부터 광이 출사되는 방향의 전면에 배치되어, 상기 광을 원편광 시키는 1/4 파장판; 상기 1/4파장판에 의해 원형편광된 광을 입력받고, 시료에 따른 표면 플라즈몬 공명 효과에 의해 측정 신호를 발생시키고, 발생된 측정 신호를 출력하는 SPR 시스템; 상기 SPR 시스템으로부터 측정 신호를 입력받아 위상천이 간섭신호를 출력하는 신호 출력부; 상기 간섭신호 출력부로부터 제공되는 위상천이 간섭신호를 이용하여 표면 플라즈몬 공명 효과에 따른 시료의 특성을 검출하는 신호 처리부; 및 상기 SPR 시스템 및 간섭신호 출력부의 회전모터를 구동하는 제어부;를 구비한다.
본 발명에 따른 위상천이 간섭을 이용한 바이오 센서 측정 시스템은 상기 위상변화 및 진폭 변화를 동시에 측정함으로써, 반사율, 즉 진폭변화만을 측정하는 기존의 표면 플라즈몬 공명 측정장치보다 정확하고 정밀한 고감도 바이오 센서 측정 시스템을 구현할 수 있다.

Description

위상 천이 간섭을 이용한 바이오 센서 측정 시스템{Bio-sensor measurement system using phase-shifting method}
본 발명은 바이오센서 측정 시스템에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 시료에 따른 표면 플라즈몬 공명 효과에 의한 위상 변화 및 진폭 변화를 동시에 정확히 측정할 수 있는 위상 천이 간섭을 이용한 바이오 센서 측정 시스템에 관한 것이다.
표면 플라즈몬(Surface Plasmon)은 금속 박막 표면에서 일어나는 전자들의 집단적 진동(collecive charge density oscillation)이며, 이에 의해 발생한 표면 플라즈마 파는 금속과 유전체의 경계면을 따라 진행하는 표면 전자기파이다. 표면 플라즈몬의 여기(excitation)는 외부에서 서로 다른 유전함수를 갖는 두 매질 경계면, 즉 금속과 유전체의 경계면에 전기장을 인가하면 두 매질 경계면에서 전기장 수직 성분의 불연속성 때문에 표면 전하가 유도되고 이러한 표면 전하들의 진동이 표면 플라즈마 파로 나타난다. 전술한 표면 플라즈마 파는 자유 공간에서의 전자기파와는 달리 입사면에 평행하게 진동하는 파로서, p-polarization의 편광 성분을 가진다. 따라서, 광학적인 방법으로 표면 플라즈몬을 여기시키려면 TM(Transverse Magnetic) 편광된 전자기파에 의해서만 가능하다.
TM 편광된 입사파가 금속박막의 경계면에서 전반사되고 소산파는 경계면에서 금속박막 속으로 지수 함수적으로 감소되지만, 특정한 입사각과 박막의 두께에서는 경계면에 평행한 방향의 입사파와 표면 플라즈마 파의 위상이 일치할 경우 공명이 일어난다. 이때, 입사파의 에너지는 모두 금속 박막에 흡수되어 반사파는 없어지고 경계면에 수직한 방향의 전기장의 분포는 지수 함수적으로 경계면에서 가장 크고 금속 박막 속으로 갈수록 급격히 감소하는 현상이 발생하게 되는데 이를 표면 플라즈몬 공명(Surface Plasmon Resonance; 이하 'SPR')이라고 하며, 입사한 광의 반사도가 급격하게 감소하는 각도를 표면 플라즈몬 공명각이라고 한다.
표면 플라즈몬 공명이 일어나는 공명각, 즉 반사광이 최소가 되는 각도는 금속 박막 표면층 유전체 질량이 증가하거나 구조가 변형되면 결과적으로 유효 굴절률(effective reactive index)이 변화하여 공명각이 달라지게 된다. 따라서, 이러한 물질의 변화를 광학적인 방법으로 계측할 수 있는 SPR의 원리를 이용하면 금속 박막 표면층의 적절한 화학적 변형을 통해 다양한 생화학 물질들 사이의 선택적 결합이나 분리와 같은 생화학적 반응을 공명각의 변화로 감지할 수 있기 때문에, SPR 센서는 고감도 생화학 센서로 활용되기도 한다.
이러한 표면 플라즈몬의 공명 흡수 효과를 이용하는 센서, 즉, 표면 플라즈몬 센서는 금속 표면에 접하는 유전체의 농도, 두께 또는 굴절률의 변화를 측정하는데 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 측정하고자 하는 바이오 물질과 같은 시료의 농도 변화를 실시간으로(real-time), 표식자 없이(label-free) 측정할 수 있는 바이오센서로도 활용되어 지고 있다.
표면 플라즈몬 공명측정은 최적의 표면 플라즈몬 공명조건에서 측정이 이루어지는데, 종래의 표면 플라즈몬 공명장치는 반사율만을 이용하게 되므로 위상변화에 따른 최적의 표면 플라즈몬 공명조건이 민감하게 변화되지 않아 측정정밀도가 그다지 높지 않은 문제점이 있다. 이에 따라, 한국공개특허 제2010-0061222호의 "다채널 타원계측 표면 플라즈몬 공명 측정장치"는 다채널 타원계측을 이용하여 광의 진폭과 위상을 동시에 측정하는 방법을 개시하고 있다. 하지만, 종래 기술은 기술을 구현하기 위하여 복잡한 광학계가 요구된다는 단점이 있다.
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 4개의 위상 천이 편광판을 이용하는 공통 경로(Common-Path) 간섭계를 이용함으로써, 표면 플라즈몬 공명 효과에 의한 빛의 위상과 진폭을 동시에 측정하는 간단한 구조의 바이오 센서 측정 시스템을 제공하고자 하는 것이다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 특징은, 광을 제공하는 광원; 상기 광을 입력받아 시료에 따른 표면 플라즈몬 공명 효과에 의해 측정 신호를 발생시키고, 발생된 측정 신호를 출력하는 SPR 시스템; 상기 SPR 시스템으로부터 측정 신호를 입력받아 다수 개의 위상천이 간섭신호들을 생성하여 출력하는 간섭신호 출력부; 상기 간섭신호 출력부로부터 제공되는 다수 개의 위상천이 간섭신호들을 연산하여 검출 신호를 생성하고 출력하는 신호 처리부; 및 상기 신호처리부로부터 입력된 검출신호를 이용하여 시료의 특성을 판단하는 제어부;를 구비하는 것이 바람직하다.
전술한 특징에 따른 위상천이 간섭을 이용한 바이오 센서 측정 시스템에 있어서, 상기 바이오 센서 측정 시스템은 광을 원형 편광 시키는 1/4 파장판;을 더 구비하고, 상기 1/4 파장판은 상기 광원과 SPR 시스템 사이에 배치되거나, 상기 SPR 시스템과 간섭신호 출력부 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
전술한 특징에 따른 위상천이 간섭을 이용한 바이오 센서 측정 시스템에 있어서, 상기 바이오 센서 측정 시스템은 상기 광원의 정면에 배치되고, 상기 광원으로부터 광을 입력받아 광이 한쪽 방향으로만 진행이 되도록 하는 광고립장치;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
전술한 특징에 따른 위상천이 간섭을 이용한 바이오 센서 측정 시스템에 있어서, 상기 SPR 시스템은, 입사면, 반사면, 출사면을 구비하는 프리즘; 상기 프리즘의 반사면에 증착되는 금속박막; 상기 금속박막이 증착된 프리즘의 반사면의 뒷면에 장착되고 시료가 주입되는 시료 주입 채널; 및 상기 제어부로부터 제공되는 제1 구동 신호에 따라 상기 SPR 시스템을 회전시키는 제1 회전 모터;를 구비하여, 상기 광원부로부터 제공된 빛이 프리즘의 입사면으로 입사된 후 시료에 따른 표면 플라즈몬 공명 효과에 의한 측정 신호가 생성되는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
전술한 특징에 따른 위상천이 간섭을 이용한 바이오 센서 측정 시스템에 있어서, 상기 간섭 신호 출력부는 서로 다른 위상변화 값을 갖는 4개의 위상천이 편광판들을 바둑판 배열하여 결합한 편광판 어레이; 및 4개의 영역으로 분할되어 있으며, 각 분할 영역들이 상기 편광판 어레이의 위상천이 편광판들에 각각 대응되도록 배치되는 4분할 수광소자;로 구성되는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
전술한 특징에 따른 위상천이 간섭을 이용한 바이오 센서 측정 시스템에 있어서, 상기 편광판 어레이의 4개의 위상천이 편광판들은 각각 0, π/2, π 및 -π/2 위상 변화의 위상 천이 편광판인 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
전술한 특징에 따른 위상천이 간섭을 이용한 바이오 센서 측정 시스템에 있어서, 상기 신호처리부는 0, π 위상 변화의 위상천이 편광판들을 각각 통과하여 상기 4분할 수광소자에 의해 감지된 각각의 신호들을 연산하는 제1 차동증폭기; 및 π/2, -π/2 위상 변화의 위상천이 편광판들을 각각 통과하여 상기 4분할 수광소자에 의해 감지된 각각의 신호들을 연산하는 제2 차동증폭기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
전술한 특징에 따른 위상천이 간섭을 이용한 바이오 센서 측정 시스템에 있어서, 상기 SPR 시스템은 상기 SPR 시스템을 회전시키는 제1 회전모터를 구비하고, 상기 간섭신호 출력부는 상기 간섭신호 출력부가 상기 SPR 시스템을 중심으로 원을 그리며 회전하도록 하는 제2 회전모터를 구비하고, 상기 제어부는 상기 신호처리부로부터 검출 신호를 입력받아 상기 SPR 시스템이 공명각을 추종하도록 제1 구동신호를 제1 회전모터에 인가하고, 상기 SPR 시스템이 공명각을 추종하도록 회전할 때, 그에 의해 변하는 간섭 신호의 반사 각도에 대응되도록 제2 구동신호를 제2 회전모터에 인가하는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 위상천이 간섭을 이용한 바이오 센서 측정 시스템은 4개의 위상천이 편광판들을 바둑판으로 배열하여 결합한 편광판 어레이를 구비함으로써, 한 번의 측정으로 4가지의 간섭 신호들을 동시에 얻을 수 있으며, 상기 간섭신호의 연산을 통하여 표면 플라즈몬 공명 효과에 의한 위상변화 및 진폭 변화를 동시에 측정할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 위상천이 간섭을 이용한 바이오 센서 측정 시스템은 상기 위상변화 및 진폭 변화를 동시에 측정함으로써, 반사율, 즉 진폭변화만을 측정하는 기존의 표면 플라즈몬 공명 측정장치보다 정확하고 정밀한 고감도 바이오 센서 측정 시스템을 구현할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 위상천이 간섭을 이용한 바이오 센서 측정 시스템은 기준빛과 탐지빛이 같은 경로를 거치는 공통 경로(Common-Path) 간섭계로 구비됨으로써, 간단한 구조의 광학계를 구성할 수 있을 뿐만 아니라, 종래의 방법에서, 탐지빛과 기준빛의 광 경로가 다름으로 인해 노이즈를 발생하는 단점을 보완하여 보다 정확한 측정을 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 위상천이 간섭을 이용한 바이오 센서 측정 시스템을 개략적으로 도시한 구조도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 위상천이 간섭을 이용한 바이오 센서 측정 시스템의 SPR 시스템을 개략적으로 도시한 구조도이다.
도 3은 일반적으로 표면 플라즈몬 효과에 의한 반사율 및 위상 변화를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 위상천이 간섭을 이용한 바이오 센서 측정 시스템의 편광판 어레이를 도시한 그림이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 위상천이 간섭을 이용한 바이오 센서 측정 시스템을 개략적으로 도시한 구조도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 위상천이 간섭을 이용한 바이오 센서 측정 시스템의 구조 및 동작 방법에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 위상천이 간섭을 이용한 바이오 센서 측정 시스템을 개략적으로 도시한 구조도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 위상천이 간섭을 이용한 바이오 센서 측정 시스템(10)는 광원(100), 광고립장치(Optical Isolator; 이하 OI)(110), 1/4 파장판(120), 표면 플라즈몬 공명(Surface Plasmon Resonance; 이하 SPR) 시스템(130), 간섭신호 출력부(140), 신호 처리부(150) 및 제어부(160)을 구비한다.
광원(100)는 광을 제공한다. OI(110)는 상기 광이 진행되는 경로에 위치하여, 광이 한쪽 방향으로만 진행되도록 한다. 1/4 파장판(120)은 상기 OI(110)로부터 광이 출사하는 방향의 전면에 배치되어 상기 광을 원형편광 시킨다. SPR 시스템(130)은 상기 1/4 파장판(120)에 의해 원형편광된 광을 입력받고, 시료에 따른 표면 플라즈몬 공명 효과에 의한 측정 신호를 발생시키고, 발생된 측정 신호를 출력한다. 간섭신호 출력부(140)는 상기 SPR 시스템(130)으로부터 측정 신호를 입력받아 4개의 서로 다른 위상을 갖는 위상천이 간섭신호들을 출력한다. 신호처리부(150)는 상기 간섭신호 출력부(140)로부터 제공되는 위상천이 간섭신호들을 연산하여 표면 플라즈몬 공명 효과에 따른 시료의 위상 및 진폭을 검출한다. 제어부(160)는 상기 검출된 위상 및 진폭을 이용하여 시료의 특성을 판단한다.
전술한 구성을 갖는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 위상천이 간섭을 이용한 바이오 센서 측정 시스템(10)은 4개의 위상천이 편광판으로 이루어진 편광판 어레이(142)를 통해 생성되는 위상천이 간섭신호를 이용하여 시료에 따른 표면 플라즈몬 공명 효과에 의한 광의 위상과 진폭을 동시에 측정하는 고감도 표면 플라즈몬 공명 측정장치이다. 이하, 전술한 각 구성요소들의 구조에 대하여 보다 구체적으로 설명한다.
상기 광원에서 나온 빛은 OI(110)를 투과하고 1/4 파장판(120)에 입력된다. 상기 OI(Optical Isolator)(110)는 광학 장치에서 일반적으로 사용되는 부품으로서, 반사되어 되돌아오거나 산란되어 되돌아오는 빛을 막아주는 장치이다. 광원 내부에 외부 빛 혹은 반사, 산란된 빛이 재유입되면 광원의 안정도가 흔들리게 되며, 이것은 직접적으로 간섭신호의 진폭 및 위상에 영향을 주게 되므로 측정 해상도를 낮게 하는 요인이 된다. 따라서, 상기 OI(110)를 통해 광원 내부에 외부 빛 혹은 반사, 산란된 빛이 재유입되는 것을 방지한다. 또한, 상기 OI(110)는 두 개의 편광판(Polarizer)과 패러데이 회전자(Faraday rotator)로 구성되어 있어서, 상기 광이 선형편광 되도록 하는 편광자의 역할도 담당한다.
상기 OI(110)을 투과한 빛은 1/4파장판(120)에 의해 원형으로 편광된다. 빛을 원형편광 시키는 이유는 빛을 이루는 수직한 두 성분인 S파 편광 성분 및 P파 편광 성분의 간섭을 일으키기 위해서이다. 상기 OI(110)을 투과한 빛은 선형편광된 빛으로 S파 편광 성분과 P파 편광성분의 위상차는 0 또는 π로 간섭이 일어나지 않는다. 따라서, 위상지연판을 통해서 상기 두 성분의 위상차를 발생시켜 간섭을 일어나게 할 수 있는데, 특히 1/4 파장판(120)을 통해 상기 두 성분의 위상차가 π/2가 되게 하여 원형으로 편광시킴으로써 간섭이 가장 크게 일어나도록 한다. 또한, 1/4 파장판(120)을 투과한 빛의 S파 편광 성분 및 P파 편광 성분은 서로 간섭을 일으키므로 간섭 신호라고 정의할 수 있다.
상기 원형 편광된 간섭 신호는 SPR 시스템(130)으로 입력된다. 다음, 상기 SPR 시스템(130)의 구조 및 동작원리를 구체적으로 설명한다. 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 위상천이 간섭을 이용한 바이오 센서 측정 시스템의 SPR 시스템을 개략적으로 도시한 구조도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 SPR 시스템(130)은 프리즘(132), 금속박막(134), 시료 주입 채널(135) 및 제1 회전 모터(139)를 구비한다. 상기 프리즘(132)은 입사면('a'), 반사면('b') 및 출사면('c')을 구비하며, 입사면과 출사면은 도 2의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이 반구형이거나 수직으로 배치되어 형성될 수 있다.
상기 시료 주입 채널(135)은 프리즘(132)의 반사면의 뒷면에 장착되며, 측정하고자하는 시료가 주입되는 입구(136), 주입된 시료가 반사면의 뒷면을 따라 흐르는 통로(137), 통로를 통과한 시료가 배출되는 출구(138)를 구비한다.
제1 회전 모터(139)는 제어부(160)로부터 제공되는 제1 구동 신호에 의해 구동되어 SPR 시스템(130)을 회전시킴으로써, SPR 시스템의 공명각을 추종하여 SPR 시스템의 회전 각도를 변경시키게 된다. 이와 같이, SPR 시스템의 공명각을 추종하도록 함으로써, 바이오센서 측정 시스템의 감지 가능한 동적 범위(Dynamic Range)를 최대한으로 넓게 확보할 수 있게 된다.
전술한 구성을 갖는 SPR 시스템(130)은 상기 1/4 파장판(120)로부터 원형 편광된 간섭 신호의 S파 편광 성분과 P파 편광 성분을 입력받으면, 시료 주입 채널(135)로 주입된 시료에 따른 표면 플라즈몬 공명 효과에 의해 상기 P파 편광 성분의 위상 및 진폭이 변하게 된다. 따라서, 변하지 않는 상기 S파 편광 성분은 기준빛이 되고, 시료에 따라 변하는 상기 P파 편광 성분은 탐지빛이 된다. 이와 같이, 본 발명에 따른 위상천이 간섭을 이용한 바이오 센서 측정 시스템은 기준빛과 탐지빛이 같은 경로를 지나가는 공통 경로(Common-Path) 간섭계를 이루게 된다.
도 3은 일반적으로 표면 플라즈몬 효과에 의한 반사율 및 위상 변화를 나타내는 그래프이다. 도 3을 참조하면, 반사율은 공명각에서 최소가 되며, 위상값은 공명각에서 최대 변화가 일어남을 알 수 있다.
다음, 상기 SPR 시스템(130)로부터 출력된 간섭 신호는 간섭신호 출력부(140)로 입력된다. 상기 간섭신호 출력부(140)는 서로 다른 위상변화 값을 갖는 4개의 위상천이 편광판들을 바둑판 배열하여 결합한 편광판 어레이(142) 및 4개의 영역으로 분할되어 있으며, 각 분할 영역들이 상기 편광판 어레이의 위상천이 편광판들에 각각 대응되도록 배치되는 4분할 수광소자(144)의 결합으로 이루어진다. 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 위상천이 간섭을 이용한 바이오 센서 측정 시스템의 편광판 어레이를 도시한 그림이다. 광학적 성질을 복합적으로 측정하기 위해서는 간섭신호의 위상과 진폭을 구분해서 측정하는 쿼드러쳐 검지(Quadrature detection)를 해야 한다. 본 발명에서는 위상천이(Phase-shifting) 방식으로 4개의 서로 다른 위상 변화를 준 간섭 신호들을 얻기 위해, 4개의 서로 다른 위상 변화값을 갖는 편광판 어레이(Polarizer array)를 사용할 수 있다. 도 4를 참조하면, 상기 편광판 어레이(142)는 입사되는 간섭 신호에 각각 0, -π/2(=3π/2), π, π/2의 위상 변화를 주기 위한 4개의 편광판 A(142a), B(142b), C(142c), D(142d)으로 구성된다.
이때의 각각의 편광판으로부터 얻게 되는 신호를 이용하여 간섭신호의 진폭과 위상을 측정하는 과정을 살펴보면 다음과 같다. 먼저, 편광판 A~D에서 얻게 되는 위상천이 간섭 신호의 세기 I0, Iπ/2, Iπ, I3 π/2는 각각 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112010050901033-pat00001
Figure 112010050901033-pat00002
Figure 112010050901033-pat00003
Figure 112010050901033-pat00004
상기 위상천이 간섭 신호는 4분할 수광소자로 입력된다. 상기 4분할 수광소자(144)는 4개의 영역으로 분할되어 있으며, 각 분할 영역들이 상기 편광판 어레이(142)의 위상천이 편광판들에 각각 대응되도록 배치되고, 각 분할 영역은 대응되는 위상천이 편광판으로부터 출력되는 위상천이 간섭신호들을 감지하여 출력한다.
상기 출력된 위상천이 간섭신호는 신호처리부(150)로 전달된다. 상기 신호처리부(150)는 0, π 위상 변화의 위상천이 편광판들을 각각 통과하여 상기 4분할 수광소자에 의해 감지된 각각의 신호들을 연산하는 제1 차동증폭기 및 π/2, -π/2 위상 변화의 위상천이 편광판들을 각각 통과하여 상기 4분할 수광소자에 의해 감지된 각각의 신호들을 연산하는 제2 차동 증폭기로 구성되거나, 상기 위상 천이 간섭 신호들을 연산할 수 있는 컴퓨터로 대체할 수 있다. 다음, 상기 신호처리부(150)는 연산하여 생성된 검출 신호를 제어부로 출력한다.
상기 신호 처리부(150)에 의해 생성된 간섭 신호의 위상(Φ)과 진폭(r)은 다음 수학식 2와 같다.
Figure 112010050901033-pat00005
Figure 112010050901033-pat00006
이와 같이, 각 위상천이 편광판(142a~142d)에서 얻게 되는 신호를 조합하면 간섭 신호의 위상과 진폭을 독립적으로 측정하는 것이 가능하고, 상기 위상과 진폭은 검출신호로서 제어부(160)로 출력된다.
따라서, 본 발명에 따른 위상천이 간섭을 이용한 바이오 센서 측정 시스템은 상기 간섭신호 출력부(140)의 편광판 어레이(142)를 구비함으로써, 시료에 따른 표면 플라즈몬 공명 효과에 의한 위상 및 진폭을 독립적으로 동시에 측정할 수 있으므로, 정확하고 정밀한 바이오 센서 측정 시스템을 구현할 수 있다.
한편, 상기 간섭신호 출력부(140)는 제2 회전 모터(149)를 구비하여, SPR 시스템이 공명각을 추종하도록 회전할 때 그에 의해 변하는 간섭 신호의 반사 각도에 대응되도록 상기 간섭신호 출력부(140)을 회전시킨다.
상기 제어부(160)는 상기 신호처리부(150)로부터 출력된 검출 신호로부터 공명각의 변화를 검출하고, 검출된 공명각의 변화량에 따라 SPR 시스템(130)의 공명각을 추종하도록 제1 구동 신호를 생성하고, 그에 의해 변하는 간섭 신호의 반사 각도에 대응되도록 제2 구동 신호를 생성한 후, 각각 SPR 시스템(130)의 제1 회전 모터(139) 및 간섭신호 출력부(140)의 제2 회전 모터(149)로 제공하여 상기 제1 및 제2 회전 모터를 구동시킨다.
상기 SPR 시스템(130)의 제1 회전 모터(139)는 상기 SPR 시스템(130)의 중심을 기준으로 구동한다. 다음, 상기 SPR 시스템(130)의 프리즘(132) 각도가 변하게 되고, 그에 의해 간섭신호의 반사 각도도 달라지게 되므로, 출력되는 상기 간섭 신호를 정확하게 검출하기 위해서는 상기 반사 각도에 대응되도록 간섭신호 출력부(140)도 이동을 하여야 한다. 이때, 상기 SPR 시스템(130)이 θ만큼 회전하였을 때, 반사되는 간섭신호의 각도는 2θ만큼 변화하게 된다. 이러한 측정 방식을 θ-2θ 측정법이라고 한다. 또한, 상기 SPR 시스템(130)은 제1 회전모터(139)에 의해서 자신을 중심으로 회전하는 자전 운동을 하는 반면, 상기 간섭신호 출력부(140)는 제2 회전모터(149)에 의해서 상기 SPR 시스템(130)을 중심으로 원을 그리며 회전하는 공전 운동을 하게 된다. 이에 따라, 제1, 제2 회전 모터에 인가되는 구동신호는 각각 제1 및 제2 회전 모터 구동 신호가 되며, 제어부(160)로부터 제공받는다.
또한, 상기 제1 회전모터(139) 및 제2 회전모터(149)는 상기 SPR 시스템의 하단에 배치되고, 상기 제1 회전모터(139)는 상기 SPR 시스템(130)을 회전시키고, 상기 제2 회전모터(149)는 상기 간섭신호 출력부(140)와 연결부재(도시하지 않음)로 연결되어, 상기 간섭신호 출력부(140)을 회전시킨다.
한편, 본 발명에 따른 위상천이 간섭을 이용한 바이오 센서 측정 시스템은 다른 실시예를 갖는다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 위상천이 간섭을 이용한 바이오 센서 측정 시스템은 본 발명의 바람직한 실시예와 동일한 구성을 갖되, 1/4 파장판이 배치되는 위치만 달라지게 된다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 위상천이 간섭을 이용한 바이오 센서 측정 시스템을 개략적으로 도시한 구조도이다. 도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 바이오 센서 측정 시스템(50)은 광원(500), 광고립장치(Optical Isolator; 이하 OI)(510), 표면 플라즈몬 공명(Surface Plasmon Resonance; 이하 SPR) 시스템(530), 1/4 파장판(520), 간섭신호 출력부(540), 신호 처리부(550) 및 제어부(560)을 구비한다. 1/4 파장판(520)를 배치하는 위치를 제외한 구조 및 동작 방법은 바람직한 실시예의 그것과 동일하므로 중복되는 설명은 생략한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 위상천이 간섭을 이용한 바이오 센서 측정 시스템(50)은 바람직한 실시예에서는 광고립장치와 SPR 시스템 사이에 1/4 파장판을 배치한 것과는 달리, 상기 SPR 시스템(530)과 간섭신호 출력부(540) 사이에 1/4 파장판(520)을 배치한다. 1/4 파장판을 이용하여 광원으로부터 출력되는 빛을 원형편광 시키는 이유는 S파 편광 성분과 P파 편광 성분의 간섭을 일으키기 위한 것이다. 간섭 신호는 간섭신호 출력부(540)에 의해 위상천이 간섭신호로 변하여 감지되므로 상기 간섭 신호는 간섭신호 출력부(540) 이전에 생성되는 것이 바람직하다. 따라서, 상기 1/4 파장판(520)은 바람직한 실시예와 같이 광고립장치와 SPR 시스템 사이에 배치될 수 있고, 또한, 다른 실시예와 같이 SPR 시스템과 간섭신호 출력부 사이에 배치될 수 있다.
전술한 구성을 갖는 본 발명의 바람직한 실시예 및 다른 실시예에 따른 위상천이 간섭을 이용한 바이오 센서 측정 시스템은 공통 경로(Common Path) 간섭계로서, 간단한 광학계를 통해 구성된다는 장점을 지니며, 상기 기준빛과 탐지빛이 나뉘어지지 않기 때문에 광 경로가 같아 외부 환경 변화 등에 의해 발생하는 노이즈에 강하다는 특징이 있다. 또한, 4개의 위상천이 편광판으로 이루어진 편광판 어레이를 이용함으로써, 시료에 따른 표면 플라즈몬 공명 효과에 의한 위상 및 진폭 변화를 동시에 독립적으로 측정할 수 있는 쿼드러쳐 검지가 가능하다는 특징이 있다.
이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였으나, 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 그리고, 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
본 발명에 따른 위상천이 간섭을 이용한 바이오 센서 측정 시스템은 검지율이 높으면서도 소형화 및 저가화가 가능하므로, 산업계 및 연구실 등의 다양한 곳에서 바이오 객체를 검지하기 위한 센서로서 널리 사용될 수 있다.
0, 50 : 표면 플라즈몬 공명 측정장치
110, 510 : 광고립장치
120, 520 : 1/4 파장판
130, 530 : SPR 시스템
132 : 프리즘
134 : 금속 박막
135 : 시료 주입 채널
140, 540 : 간섭신호 출력부
142, 542 : 편광판 어레이
142a~142d : 위상천이 편광판
144, 544 : 4분할 수광소자
150, 550 : 신호처리부
160, 560 : 제어부

Claims (8)

  1. 광을 제공하는 광원;
    상기 광을 입력받아 시료에 따른 표면 플라즈몬 공명 효과에 의해 측정 신호를 발생시키고, 발생된 측정 신호를 출력하는 SPR 시스템;
    상기 SPR 시스템으로부터 측정 신호를 입력받아 다수 개의 위상천이 간섭신호들을 생성하여 출력하는 간섭신호 출력부;
    상기 간섭신호 출력부로부터 제공되는 다수 개의 위상천이 간섭신호들을 연산하여 검출 신호를 생성하고 출력하는 신호 처리부; 및
    상기 신호처리부로부터 입력된 검출신호를 이용하여 시료의 특성을 판단하는 제어부;
    를 구비하는 위상천이 간섭을 이용한 바이오 센서 측정 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 간섭 신호 출력부는
    서로 다른 위상변화 값을 갖는 4개의 위상천이 편광판들을 바둑판 배열하여 결합한 편광판 어레이; 및
    4개의 영역으로 분할되어 있으며, 각 분할 영역들이 상기 편광판 어레이의 위상천이 편광판들에 각각 대응되도록 배치되는 4분할 수광소자;
    로 구성되는 것을 특징으로 하는 위상천이 간섭을 이용한 바이오 센서 측정 시스템.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 편광판 어레이의 4개의 위상천이 편광판들은
    각각 0, π/2, π 및 -π/2 위상 변화의 위상 천이 편광판인 것을 특징으로 하는 위상천이 간섭을 이용한 바이오 센서 측정 시스템.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 신호처리부는
    0, π 위상 변화의 위상천이 편광판들을 각각 통과하여 4분할 수광소자에 의해 감지된 각각의 신호들을 연산하는 제1 차동증폭기; 및
    π/2, -π/2 위상 변화의 위상천이 편광판들을 각각 통과하여 4분할 수광소자에 의해 감지된 각각의 신호들을 연산하는 제2 차동증폭기;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 위상천이 간섭을 이용한 바이오 센서 측정 시스템.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 SPR 시스템은,
    입사면, 반사면, 출사면을 구비하는 프리즘;
    상기 프리즘의 반사면에 배치되는 금속박막;
    상기 금속박막이 배치된 프리즘의 반사면의 뒷면에 장착되고 시료가 주입되는 시료 주입 채널; 및
    상기 제어부로부터 제공되는 제1 구동 신호에 따라 상기 SPR 시스템을 회전시키는 제1 회전 모터;
    를 구비하여, 상기 광원로부터 제공된 빛이 프리즘의 입사면으로 입사된 후 시료주입채널에 주입된 시료에 따른 표면 플라즈몬 공명 효과에 의한 측정 신호가 생성되는 것을 특징으로 하는 위상천이 간섭을 이용한 바이오 센서 측정 시스템.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 SPR 시스템은 상기 SPR 시스템을 회전시키는 제1 회전모터를 구비하고,
    상기 간섭신호 출력부는 상기 간섭신호 출력부가 상기 SPR 시스템을 중심으로 원을 그리며 회전하도록 하는 제2 회전모터를 구비하고,
    상기 제어부는 상기 신호처리부로부터 검출 신호를 입력받고, 상기 SPR 시스템이 공명각을 추종하도록 하는 제1 구동신호를 생성하여 제1 회전모터에 인가하고, 상기 제1 구동신호에 따른 상기 SPR 시스템의 회전에 의해 변하는 간섭 신호의 반사 각도에 대응되는 제2 구동신호를 생성하여 제2 회전모터에 인가하는 것을 특징으로 하는 위상천이 간섭을 이용한 바이오 센서 측정 시스템.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 바이오 센서 측정 시스템은 광을 원형 편광 시키는 1/4 파장판;을 더 구비하고,
    상기 1/4 파장판은 상기 광원과 SPR 시스템 사이에 배치되거나, 상기 SPR 시스템과 간섭신호 출력부 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 위상천이 간섭을 이용한 바이오 센서 측정 시스템.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 바이오 센서 측정 시스템은
    상기 광원의 정면에 배치되고, 상기 광원으로부터 광을 입력받아 광이 한쪽 방향으로만 진행이 되도록 하는 광고립장치;
    를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 위상천이 간섭을 이용한 바이오 센서 측정 시스템.


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