KR101229991B1 - 광섬유 기반 ｌｓｐｒ 및 ｓｅｒｓ신호의 동시 측정 센서 시스템 - Google Patents

광섬유 기반 ｌｓｐｒ 및 ｓｅｒｓ신호의 동시 측정 센서 시스템 Download PDF

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Abstract

일 실시 예에 있어서, 광섬유 기반의 센서 시스템은 일끝단의 단면에 금속 나노 입자가 배치되는 광섬유를 적어도 하나 이상 구비하는 센서부, 상기 센서부에 대하여 단색의 입사광을 제공하는 광원, 상기 센서부와 상기 광원 사이에서 빛을 전달시키는 광도파관, 상기 센서부에서 상기 금속 나노 입자와 반응한 출력광을 제공받아 상기 출력광의 일부분은 반사시키고, 상기 출력광의 나머지 부분은 통과시킴으로써 상기 출력광을 분리시키는 광필터(optical filter); 및 상기 분리된 출력광의 상기 일부분 및 상기 나머지 부분을 각각 수렴하는 측정부를 포함한다.

Description

광섬유 기반 ＬＳＰＲ 및 ＳＥＲＳ신호의 동시 측정 센서 시스템{Simultaneous measuring sensor system of LSPR and SERS signal based on optical fiber}
본 발명은 대체로 광섬유 기반 센서 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 광섬유를 기반으로 하여 LSPR 및 SERS 신호를 측정하는 센서 시스템에 관한 것이다.
최근, 바이오칩과 같이 생체표적물질을 검출 및 분석하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 종래의 경우, 생체표적물질의 검출 방법으로는 전기영동법, 질량분석법, 형광분석법 등을 사용하였으나, 각각의 분석법에는 단점이 존재하였다. 즉, 전기영동법의 경우, 재현성이 상대적으로 좋지 않고 알칼리성 단백질과 고분자 단백질의 분리가 어려운 점이 있으며, 질량분석법의 경우, 소형화가 어렵고 다수의 시료를 빠르게 분석하기 어렵다는 점이 있다. 형광법의 경우, 모든 생체물질을 형광물질로 표지해야 하는 불편함이 따르며, 형광염료의 가격이 비싸다는 어려움이 있다.
따라서, 상술한 분석법에 대한 대안으로 분광학적 기법을 적용하는 라만 산란법(Raman Scattering)과 표면 플라즈몬 공명법(Surface Plasmon Resonance)법이 학계 및 업계의 주목을 받고 있다. 특히, 라만 산란법 중 한 분야인 표면 증강 라만 산란(Surface Enhanced Raman Scattering, 이하 SERS)법과 표면 플라즈몬 공명법 중의 한 분야인 국부화 표면 플라즈몬 공명(Localized Surface Plasmon Resonance, 이하 LSPR)법은 생체표적물질을 감지하는 바이오칩에 적용이 활발히 시도되고 있다.
라만 산란법이란, 분자의 진동 에너지보다 큰 에너지의 빛을 분자에 조사하여 이에 대한 산란광을 관찰하는 방법을 말한다. 상기 분자의 진동 에너지보다 큰 에너지의 빛이 조사될 때 상기 분자와 상호작용을 함으로써, 상기 산란광은 상기 입사광보다 분자 진동 에너지만큼 잃거나 얻게 된다. 이러한 현상은 상기 분자의 진동 에너지가 고유한 것이기 때문에 가능한 것이다. SERS이란 분자가 금속 나노 구조의 주변에 존재할 경우, 그 분자의 라만 신호가 크게 증가하는 현상을 의미한다. 이러한 SERS가 발견된 이후, 이를 다양한 물질 검출법으로의 응용에 적용하게 되었다. 한국공개특허 2006-0094521에서는 표면 증강 라만 분광법에 의하여 뉴클레오티드 신호를 증가시켜 핵산 시퀀싱을 하는 방법 및 시스템을 개시하고 있다. 또, 한국공개특허 2006-0056576호에서는 은 나노 입자에 DNA 혼합물을 흡착시키고 SERS법을 적용하여 DNA를 광학 검출하는 방법을 개시하고 있다.
한편, 표면 플라즈몬 공명법에 있어서, 표면 플라즈몬이란 금속박막과 유전체의 경계면을 따라 진행하는 표면 전자기파를 의미하며, 표면 플라즈몬 공명 현상은 금속박막 표면에서 일어나는 전자들의 집단적인 진동을 양자화한 것을 뜻한다. 그리고, 표면 플라즈몬이 여기되는 현상을 표면 플라즈몬 공명이라고 한다. 표면 플라즈몬 공명법은 상술한 광학적 원리를 이용하여 분자들 간의 상호작용을 계측하거나 반응의 진행상황을 실시간 측정할 수 있다. 표면 플라즈몬 공명법 중의 한 분야인 LSPR은 금속나노입자에 전자가 구속되어 집단적인 진동을 일으키는 것을 의미한다. LSPR은 금속 나노입자의 종류에 따라서 표면 플라즈몬 흡수 밴드의 세기나 파장이 달라지며, 금속 나노입자가 어떤 물질에 놓여 있는가에 따라서 표면 플라즈몬 파장이 달라지는 특성을 가지고 있다. 여기서의 상기 금속은 가시광선 영역에서 표면 플라즈면 공명 조건을 갖는 금, 은 등의 귀금속을 지칭한다. 또한, 금속 나노 입자의 크기, 모양, 분포에 따라 표면 플라즈몬 파장이 달라지는 것으로 알려져 있다. 한국공개특허 2009-0087594에서는 금 나노입자를 유리판에 고정화시킨 후 항원-항체 반응을 발생시키고, LSPR 현상을 이용하여 생체물질을 진단하는 방법을 개시하고 있다.
상술한 바와 같이, SERS 또는 LSPR법은 생체 표지 물질을 검출하는 바이오 센서에 적극적으로 채용되기 시작하였으며, 이에 대한 업계의 관심은 점증하고 있는 추세이다.
상기의 기술적 과제를 이루기 위한 본 출원의 일 측면에 따른 광섬유 기반의 센서 시스템이 개시된다. 상기 광섬유 기반의 센서 시스템은 한 끝단의 단면에 금속 나노 입자가 배치되는 광섬유를 적어도 하나 이상 구비하는 센서부, 상기 센서부에 대하여 단색의 입사광을 제공하는 광원, 상기 센서부와 상기 광원 사이에서 빛을 전달시키는 광도파관, 상기 센서부에서 상기 금속 나노 입자와 반응한 출력광을 제공받아 상기 출력광의 일부분은 반사시키고, 상기 출력광의 나머지 부분은 통과시킴으로써 상기 출력광을 분리시키는 광필터(optical filter); 및 상기 분리된 출력광의 상기 일부분 및 상기 나머지 부분을 각각 수렴하는 측정부를 포함한다.
상기의 기술적 과제를 이루기 위한 본 출원의 다른 측면에 따른 광섬유 기반의 센서 시스템을 이용한 광신호 측정 방법이 개시된다. 상기 광섬유 기반의 센서 시스템을 이용한 광신호 측정 방법에 있어서, 우선, 한 끝단의 단면에 금속 나노 입자가 배치되는 광섬유를 적어도 하나 이상 구비하는 센서부를 준비한다. 상기 센서부에 대하여 단색의 입사광을 제공한다. 상기 센서부에서 상기 금속 나노 입자와 반응한 출력광을 수렴하고, 광필터에 의하여 상기 입사광의 중심 파장에 대응하는 상기 출력광의 상기 일부분을 반사시키고, 상기 입사광의 상기 중심 파장을 제외하는 상기 나머지 부분을 통과시킨다. 상기 중심 파장에 대응하는 상기 출력광의 상기 일부분을 광 검출기를 통하여 수렴하고, 상기 중심 파장을 제외하는 상기 나머지 부분을 분광계를 통하여 수렴한다.
본 출원의 일 실시예에 따르면, SERS 및 LSPR 신호의 센서 시스템을 제공함으로써, 단분자 수준의 신호 민감도로 다중표적 동시측정이 가능한 SERS 법 및 높은 신호 민감도로 실시간 정량이 가능한 LSPR 법을 동시에 구현할 수 있다. 이로서, 생체 표적물질을 대상으로 하는 다중 실시간 정량 측정 플랫폼 기술을 구현할 수 있다.
본 출원의 일 실시예에 따르면, 광섬유를 채용함으로써 소형, 간단, 저비용의 측정 시스템을 구현할 수 있으며, 다수의 광섬유를 동시에 사용하고 각각의 광섬유에 서로 다른 표지물질을 형성함으로써 다수의 표적 물질을 동시에 간편한 방법으로 정량하는 기술을 구현할 수 있다.
도 1은 본 출원의 일 실시 예에 따르는 광섬유 기반의 센서 시스템을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 출원의 일 실시 예에 따르는 광섬유 기반의 센서 시스템의 센서부인 광섬유의 일 단면도이다.
도 3는 본 출원의 일 실시 예에 따르는 광섬유 기반의 센서 시스템을 이용한 광신호 측정 방법을 나타내는 순서도이다.
도 4은 본 출원의 일 실시 예에 따르는 광섬유 기반의 센서 시스템의 측정 방식을 개략적으로 나타내는 도면이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 출원의 실시 예들을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 본 출원에 개시된 기술은 여기서 설명되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 단지, 여기서 소개되는 실시 예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 출원의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 도면에서 각 장치의 구성요소를 명확하게 표현하기 위하여 상기 구성요소의 폭이나 두께 등의 크기를 다소 확대하여 나타내었다. 전체적으로 도면 설명시 관찰자 시점에서 설명하였고, 또한, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 출원의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 출원의 사상을 다양한 다른 형태로 구현할 수 있을 것이다. 그리고, 복수의 도면들 상에서 동일 부호는 실질적으로 서로 동일한 요소를 지칭한다.
또, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, “포함하다”또는 “가지다”등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 제1 구성요소가 제2 구성요소에 부착되었다 함은 제1 구성요소가 제2 구성요소에 직접 부착되는 경우뿐만 아니라, 제1 구성요소가 제3 구성요소를 경유하거나 이용하여 제2 구성요소에 부착되는 경우 모두를 포함하는 것으로 해석된다.
도 1은 본 출원의 일 실시 예에 따르는 광섬유 기반의 센서 시스템을 개략적으로 나타내는 도면이다. 구체적으로 도 1의 (a)는 일 실시 예에 따르는 광섬유 기반의 센서 시스템을 개략적으로 나타내는 모식도이며, 도 1의 (b)는 일 실시 예에 따르는 도 1의 (a)의 센서 시스템에서 센서부의 세부 모식도이다. 도 1의 (c)는 일 실시 예에 따르는 센서 시스템의 센서부의 단면도이다. 도 1의 (a)를 참조하면, 센서(100) 시스템은 센서부(110), 센서부(110)에 입사광을 제공하는 광원(120), 센서부(110) 및 광원(120) 사이에서 빛을 전달시키는 광도파관(130) 및 센서부(110)로부터의 출력광을 분리시키는 광필터(140) 및 분리된 상기 출력광을 각각 수렴하는 측정부(150)를 포함한다. 몇몇 실시 예들에 있어서, 센서 시스템(100)은 센서부(110)로부터의 상기 출력광을 광필터(140)로 유도하는 광커플러(160) 및 상기 출력광을 집속하는 렌즈부(162)를 더 포함할 수 있다.
센서부(110)는 일 끝단의 단면에 금속 나노 입자가 배치되는 광섬유를 적어도 하나 이상 구비한다. 도 1의 (b) 및 (c)를 참조하면, 센서부(110)는 적어도 하나 이상의 광섬유(170, 180, 190)을 포함하며, 적어도 하나 이상의 광섬유(170, 180, 190)의 한 끝단의 단면은 표적물질(176, 186, 196)이 존재하는 외부 환경에 노출된다. 적어도 하나 이상의 광섬유(170, 180, 190)의 각각은 금속 나노 입자(172, 182, 192), 금속 나노 입자(172, 182, 192)에 부착된 표지 물질(174, 184, 194)을 포함하며, 표지물질(174, 184, 194)에는 소정의 표적물질(176, 186, 196)이 부착됨으로써, 센서부(110)가 소정의 표적물질(176, 186, 196)을 감지할 수 있도록 구성된다. 센서부(110)는 표적물질(176, 186, 196)의 부착 여부에 따라 서로 다른 광신호를 출력광의 형태로 방출함으로써, 표적물질(176, 186, 196)을 검출할 수 있도록 한다. 일 실시 예에 있어서, 센서부(110)는 복수의 광섬유(170, 180, 190)를 구비하며, 복수의 광섬유(170, 180, 190)는 서로 다른 표지 물질이 형성된 복수의 금속 나노 입자(172, 182, 192)를 구비할 수 있다.
광원(120)은 센서부(110)에 대하여 단색의 입사광을 제공한다. 광원(120)은 일예로서, 레이저 광일 수 있으며, 중심 파장을 중심으로 하여 광의 파장 폭이 좁은 형태를 지니는 다양한 광이 적용될 수 있다. 여기서, 중심 파장이라 함은 단색의 입사광에서 상기 입사광의 색을 결정하는 파장을 의미할 수 있다. 일 예로서, Ar 레이저의 경우, 중심 파장 514.5 nm 인 녹색광의 레이저 광 또는 Nd:YAG 레이저의 경우, 중심 파장 532 nm인 녹색광인 레이저 광을 들 수 있으며, 이때, 상기 레이저들의 녹색광은 상기 중심 파장으로부터의 좌우 폭이 0.5 nm 이내이다. 이 외에도 가시광선 영역의 다양한 중심 파장을 갖는 레이저 광이 목적에 따라 사용될 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 중심 파장 λ0 에 해당하는 입사광이 센서부(110)에 입사하는 경우에 센서부(110)는 외부 환경의 표적 물질에 노출된 금속 나노 입자(172, 182, 192)로부터의 반사된 광을 출력광의 형태로 방출할 수 있다. 상술한 바와 같이, 상기 외부 환경의 표적 물질은 표지 물질(174, 184, 194)을 통하여 금속 나노 입자(172, 182, 192)에 부착된다. 상기 반사된 출력광은 상기 입사광이 금속 나노 입자(172, 182, 192)와의 반응을 통해 흡수 및 산란된 결과를 반영할 수 있으며, 중심 파장 λ0에 대응하는 중심 파장 성분 λ1을 가질 수 있다. 측정을 통해, 일 예로서, 중심 파장 λ0 로부터 λ1으로의 변화를 통해 LSPR 신호 분석을 실시할 수 있다. LSPR 신호 분석에 있어서, 금속 나노 입자(172, 182, 192)에 표적물질(174, 184, 194) 부착여부에 따라, 상기 입사광의 중심 파장 λ0 의 변이(shift) 및 강도(intensity) 변화를 출력광에 나타낸다.
또한, 상기 반사된 출력광은 상기 광섬유(170, 180, 190)으로부터의 산란광 성분을 포함하는데, 상기 산란광 성분은 광섬유(170, 180, 190)에 부착되는 표적물질(174, 184, 194)과 상기 입사광의 상호 작용을 반영할 수 있다. 상기 입사광이 표적물질(174, 184, 194)과 반응하여, 표적물질(174, 184, 194)의 진동에너지로부터 에너지를 얻거나 잃는 반응의 결과로서 산란광이 발생할 수 있다. 즉, 상기 산란광은 표적물질(174, 184, 194)의 부착여부에 따라 SERS 신호의 변화를 발생시키게 된다.
광도파관(130)은 센서부(110)와 광원(120) 사이에서 빛을 전달하는 역할을 수행한다. 광도파관(130)은 일 예로서, 광섬유일 수 있다. 도 1을 참조하면, 광원(120)에서 방출된 광이 광도파관(130)을 통하여 센서부(110)에 입사되고, 센서부(110)에서 방출된 출력광이 광도파관(130)을 통하여 광커플러(160)로 도파될 수 있다. 광커플러(160)는 상기 출력광을 수렴하고 이를 광필터(140)로 전달할 수 있다.
광필터(140)는 센서부(110)에서 방출되는 상기 출력광을 제공받아 상기 출력광의 일부분은 반사시키고, 상기 출력광의 나머지 부분은 통과시킴으로써 상기 출력광을 분리시킨다. 일 실시 예에 따르면, 광필터(140)는 상기 입사광의 상기 중심 파장 λ0에 대응하는 상기 출력광에서의 중심 파장 성분 λ1은 반사시키고, 상기 입사광의 상기 중심 파장 λ0에 대응되는 상기 출력광의 상기 중심 파장 성분 λ1을 제외하는 상기 나머지 성분은 통과시킬 수 있다. 일 실시예에 따르면, 선폭이 매우 좁은 라만 산란광과 같은 광의 신호를 효과적으로 얻기 위해서는 컷 오프 단(cut-off edge)이 가파르고 투가/반사 비가 매우 큰 라만 산란 분광용 에지(Edge) 필터 또는 노치(Notch) 필터를 광필터(140)로서 적용할 수 있다. 상기 출력광에서의 중심 파장 성분 λ1은 금속 나노 입자(172, 182, 192)와의 반응으로 생성될 수 있다. 상기 출력광 중에서 중심 파장 성분 λ1을 제외한 광성분은 금속 나노 입자(172, 182, 192)에 부착되는 표적물질(176, 186, 196)과의 반응을 통해 생성되는 산란광 성분일 수 있다. 상기 반사된 출력광의 상기 중심 파장 성분 λ1은 LSPR 분석에 적용되며, 상기 통과된 출력광의 상기 산란광 성분은 SERS 분석에 적용될 수 있다.
측정부(150)는 일 예로서, 광검출기(152) 및 분광계(154)를 포함할 수 있다. 광검출기(152)는 광필터(140)에서 반사되는 상기 출력광의 상기 일부분을 수렴한다. 구체적으로, 광검출기(152)는 광필터(140)에서 반사되는 상기 출력광의 상기 중심 파장 성분 λ1을 수렴한다. 광검출기(152)에서 수렴하는 상기 출력광의 상기 중심 파장 성분 λ1은 LSPR 정량 분석에 적용될 수 있다.
분광계(154)는 광필터(140)를 통과하는 상기 출력광의 상기 중심 파장 성분 λ1을 제외하는 상기 나머지 성분을 수렴한다. 구체적으로, 분광계(154)는 광필터(140)을 통과하는 상기 출력광의 산란광 성분을 수렴한다. 분광계(154)에서 수렴하는 상기 출력광의 상기 나머지 성분은 SERS 정성 분석에 적용될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 출원의 일 실시 예에 따르는 광섬유 기반의 센서 시스템에 있어서, 입사광의 중심 파장에 대응하는 출력광의 중심 파장 성분 λ1은 광필터에서 반사되고, 광 검출기를 통해 검출됨으로써 상기 중심 파장 성분 λ1을 가지는 출력광의 세기가 측정될 수 있다. 그리고, LSPR 측정 결과에 의해 나타나는 입사광 대비 출력광의 중심 파장에서의 광세기 변화(λ0 대비 λ1의 세기)를 통해 센서부 내 광섬유 표면에서의 표적 물질과의 반응을 정량적으로 파악할 수 있다. 한편, 출력광의 중심 파장 성분 λ1을 제외한 산란광 성분은 광필터를 통과하여 분광계에서 측정될 수 있다. SERS 측정 결과에 의해 나타나는 상기 산란광 성분의 파장 변화를 통해서는 센서부의 광섬유 표면의 표적 물질과의 반응을 정성적으로 파악할 수 있다. 이와 같이, 본 출원의 일 실시 예에 따르는 광섬유 기반의 센서 시스템에 의하면, 센서부의 광섬유 표면 상에서 발생하는 반응에 대한 LSPR 측정 및 SERS 측정을 단일 광원을 통해 동시에 수행할 수 있다. 또한 다수의 광섬유 상에 서로 다른 표지 물질을 형성하여 측정 시료 내의 다수의 표적 물질을 동시에 다중 측정할 수 있다.
도 1에 도시된 바에 의하면, 본 출원의 일 실시 예에 따르는 광섬유 기반의 센서 시스템은 복수의 광섬유(170, 180, 190)를 포함하는 센서부(110)를 가지며, 센서부(110)는 단일의 광도파관(130), 렌즈부(162), 광필터(140) 및 측정부(150)를 구비하고 있다. 다른 몇몇 실시 예들에 따르면, 광섬유 기판의 센서 시스템은 광섬유(170, 180, 190)에 대응하여, 적어도 둘 이상의 광도파관, 렌즈부, 광필터 및 측정부를 구비할 수 있다. 일예로서, 광섬유(170, 180, 190)의 개수와 동일한 개수의 광도파관, 렌즈부, 광필터 및 측정부를 구비할 수 있다. 이로서, 센서부(110)의 복수의 광섬유(170, 180, 190) 각각에 대하여 서로 다른 표적 물질 검출을 별도로 수행할 수 있다.
도 2는 본 출원의 일 실시 예에 따르는 광섬유 기반의 센서 시스템의 센서부인 광섬유의 일 단면도이다. 도 2의 (a)는 상기 광섬유의 일 단면도의 주사전자현미경 사진이며, 도 2의 (b)는 도 2의 (a)를 확대한 사진이다. 도 2의 (a) 및 (b)를 참조하면, 센서부인 광섬유의 단면에는 복수의 금속 나노 입자가 분산되어 배치될 수 있다. 구체적으로 상기 금속 나노 입자는 금 나노 입자이며, 도시된 바와 같이 상기 광섬유의 절단면 상에 직경 50 nm 정도 크기로 배치될 수 있다. 또한 다른 실시 예들에 있어서는, 나노입자의 크기가 절대적이지 않고 목적에 따라 수 nm 에서 1백 나노미터 이상의 것들이 이용될 수도 있다. 상술한 바와 같이, 상기 금 나노 입장 상에는 복수의 표지 물질이 부착되어 표적 물질의 검출에 적용될 수 있다.
도 3는 본 출원의 일 실시 예에 따르는 광섬유 기반의 센서 시스템을 이용한 광신호 측정 방법을 나타내는 순서도이다. 도 3을 참조하면, 먼저 310 블록에서, 일끝단의 단면에 금속 나노 입자가 배치되는 광섬유를 적어도 하나 이상 구비하는 센서부를 준비한다. 상기 센서부는 적어도 하나 이상의 광섬유을 포함하며, 각각은 금속 나노 입자, 상기 금속 나노 입자에 부착된 표지 물질 및 상기 표지물질에 부착되어지는 표적물질을 포함한다. 상기 센서부는 상기 표적물질의 부착 여부에 따라 서로 다른 광신호를 출력광의 형태로 방출함으로써, 상기 표적물질을 검출할 수 있도록 한다.
320 블록에서, 상기 센서부에 대하여 단색의 입사광을 제공한다. 상기 단색의 입사광은 일 예로서, 레이저 광일 수 있으며, 중심 파장을 중심으로 하여 광의 파장 폭이 좁은 형태를 지니는 다양한 파장의 광이 적용될 수 있다.
330 블록에서, 상기 센서부로부터 방출되는 출력광을 수렴하고 광필터에 의하여 상기 입사광의 중심 파장에 대응하는 상기 출력광의 일부분을 반사시키고 상기 입사광의 중심 파장을 제외하는 나머지 부분을 통과시킨다. 구체적으로, 상기 입사광의 중심 파장 λ0에 대응하는 상기 출력광의 중심 파장 성분 λ1은 상기 입사광 중 상기 금속 나노 입자와 반응한 성분이며, 상기 출력광의 중심 파장 성분 λ1을 제외하는 출력광의 나머지 부분은 라만산란광 성분일 수 있다.
340 블록에서, 상기 중심 파장에 대응하는 상기 출력광의 일부분을 광 검출기를 통하여 수렴하고, 상기 중심 파장을 제외하는 상기 출력광의 나머지 부분을 분광계를 통하여 수렴한다. 상기 광검출기에서 수렴하는 상기 출력광의 상기 일부분은 LSPR 정량 분석에 적용될 수 있으며, 상기 분광계에서 수렴하는 상기 출력광의 상기 나머지 부분은 SERS 정성 분석에 적용될 수 있다.
도 4은 본 출원의 일 실시 예에 따르는 광섬유 기반의 센서 시스템의 측정 방식을 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 4의 (a)에서는 소정의 세기(Y 축 값)를 가지는 중심 파장이 λ0 인 입사광을 나타낸다. 도 4의 (b)에서는 센서부로부터 방출되는 출력광을 나타낸다. 출력광은 일 예로서, 입사광의 중심 파장 λ0에 대응되며 중심 파장이 λ1인 성분을 가질 수 있다. 출력광은 그와는 별도로 λ2 내지 λ4의 파장을 가지는 성분을 포함할 수 있는 데 이는 라만산란광 성분을 의미한다. 도시되는 λ2, λ3, λ4 는 일 예로서, 3 가지 서로 다른 표적물질에 대응하는 SERS 표지 스펙트럼을 대표할 수 있으며, 실제는 하나의 밴드가 아니라 여러 밴드로 이루어진 스펙트럼이 서로 구별되는 형태임을 뜻한다. 도 4의 (c)에서는 광필터를 통하여, 출력광으로부터 상기 중심 파장 성분 및 상기 산란광 성분이 분리됨을 모식적으로 표현하고 있다. 도 4의 (c-1)에서는 상기 광필터를 통과하는 상기 산란광 성분을 나타내었으며, 도 4의 (c-2)에서는 상기 광필터에서 반사되는 상기 중심 파장 성분을 모식적으로 나타내고 있다. 도 4의 (d)에서는 상기 출력광으로부터 분리된 상기 중심 파장 성분 및 상기 산란광 성분을 분석에 사용하는 예를 모식적으로 표현하고 있다. 도 4의 (d-1)에서는 SERS 분석에 사용하는 예를 나타내고 있다. SERS 분석에서는 센서부에 표적 물질의 출현 및 표적 물질의 성분을 분석하는 정량 분석이 이루어진다. 즉, λ2 내지 λ4의 파장을 가지는 산란광 성분의 파장 변이(shift) 및 강도(intensity) 변화 등을 분석한다. 도 4의 (d-2)는 LSPR 분석에 사용되는 일 예를 나타내고 있다. LSPR 분석에서는 센서부에 표적 물질에 따른 표면 플라즈몬 공명 각도 변화, 반사광의 강도 변화 등을 분석할 수 있다. 또한 상술한 표면 플라즈몬 공명 각도 변화를 시간에 따른 변화로서 관찰할 수 있으며, 이는 도 4의 (d-2)에 센소그램(sensogram)의 형태로 도시될 수 있다. 상기 센소그램에서는 센서부인 광섬유내 금속 나노 입자 상에서 표적 물질이 흡탈착하는 현상을 실시간으로 감지할 수 있다. 본 명세서에서 설명하는 LSPR 분석 및 SERS 분석 방법 및 기법은 공지의 분석 방법에 해당하여 당업자에게 자명한 사항이므로, 자세한 설명은 생략하기로 한다.
상술한 바와 같이, 본 출원의 일 실시 예에 따르는 광섬유 기반의 센서 시스템에 있어서, 입사광의 중심 파장에 대응하는 출력광의 중심 파장 성분 λ1은 광필터에서 반사되고, 광 검출기를 통해 검출됨으로써 반사광의 세기가 측정될 수 있다. 그리고, LSPR 측정 결과에 의해 나타나는 입사광 대비 출력광의 중심 파장에서의 광세기 변화(λ0 대비 λ1의 세기)를 통해 센서부의 광섬유 표면에서의 표적 물질과의 반응을 정량적으로 파악할 수 있다. 한편, 출력광의 중심 파장 성분 λ1을 제외한 산란광 성분은 광필터를 통과하여 분광계에서 측정될 수 있다. SERS 측정 결과에 의해 나타나는 상기 산란광 성분의 파장 변화를 통해서는 센서부의 광섬유 표면의 표적 물질과의 반응을 정성적으로 파악할 수 있다. 이와 같이, 본 출원의 일 실시 예에 따르는 광섬유 기반의 센서 시스템에 의하면, 센서부의 광섬유 표면 상에서 발생하는 반응에 대한 LSPR 측정 및 SERS 측정을 단일 광원을 통해 동시에 수행할 수 있다. 또한 다수의 광섬유 상에 서로 다른 표지 물질을 형성하여 측정 시료 내의 다수의 표적 물질을 동시에 다중 측정할 수 있다.
100: 광섬유 기반의 센서 시스템, 110: 센서부, 120: 광원, 130: 광도파관, 140: 광필터, 150: 측정부, 152: 광검출기, 154: 분광계, 170 180 190: 광섬유, 172 182 192: 금속 나노 입자, 174 184 194: 표지물질, 176 186 196: 표적물질.

Claims (11)

  1. 광섬유 기반의 센서 시스템에 있어서,
    한 끝단의 단면에 금속 나노 입자가 배치되는 광섬유를 적어도 하나 이상 구비하는 센서부;
    상기 센서부에 대하여 단색 파장(λ0)의 입사광을 제공하는 광원;
    상기 센서부와 상기 광원 사이에서 빛을 전달시키는 광도파관;
    상기 입사광이 상기 금속 나노 입자에 조사되어 상기 센서부에서 방출되는 출력광으로, 상기 출력광은 상기 단색 파장(λ0)에 대응하는 중심 파장(λ1)과, 상기 금속 나노 입자에 의하여 흡수 또는 산란된 파장 성분을 포함하는 출력광을 제공받아 상기 출력광의 중심 파장(λ1) 부분은 반사시키고, 상기 출력광의 나머지 부분은 통과시킴으로써 상기 출력광을 분리시키는 광필터(optical filter); 및
    상기 분리된 출력광의 상기 중심 파장(λ1) 부분 및 상기 나머지 부분을 각각 수렴하는 측정부를 포함하되, 상기 반사된 출력광의 중심 파장(λ1) 부분은 국부화 표면 플라즈몬 공명(Localized Surface Plasmon Resonance, LSPR) 분석에 적용하고, 상기 출력광의 나머지 부분을 표면 증강 라만 산란(Surface Enhanced Raman Scattering, SERS) 분석에 적용하는 광섬유 기반의 센서 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 광필터는 노치 필터 또는 에지 필터인 광섬유 기반의 센서 시스템.
  3. 삭제
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 측정부는 상기 광필터에서 반사되는 상기 출력광의 상기 중심 파장(λ1)부분을 수렴하는 광 검출기 및 상기 광필터를 통과하는 상기 출력광의 상기 나머지 부분을 수렴하는 분광계를 포함하는 광섬유 기반의 센서 시스템.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 광 검출기는 상기 출력광의 상기 중심 파장(λ1) 부분을 국부화 표면 플라즈몬 공명 정량 분석에 적용하고, 상기 분광계는 상기 출력광의 상기 나머지 성분을 표면 증강 라만 산란 정성 분석에 적용하는 광섬유 기반의 센서 시스템.
  6. 제5항 있어서,
    상기 국부화 표면 플라즈몬 공명 정량 분석 및 상기 표면 증강 라만 산란 정성 분석은 상기 단색의 입사광으로부터 동시에 수행되는 광섬유 기반의 센서 시스템.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 금속 나노 입자는 약 50 nm 의 금 나노 입자이며, 상기 금 나노 입자 상에는 표지 물질이 형성되는 광섬유 기반의 센서 시스템.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 센서부는 복수의 광섬유를 포함하며, 상기 복수의 광섬유는 서로 다른 표지 물질이 형성된 복수의 상기 금속 나노 입자를 구비하는 광섬유 기반의 센서 시스템.
  9. 광섬유 기반의 센서 시스템을 이용한 광신호 측정 방법에 있어서,
    (a) 한 끝단의 단면에 금속 나노 입자가 배치되는 광섬유를 적어도 하나 이상 구비하는 센서부를 준비하는 단계;
    (b) 상기 센서부에 대하여 단색의 입사광을 제공하는 단계;
    (c) 상기 입사광을 제공받아 상기 금속 나노 입자에 조사하여 상기 센서부에서 방출되는 출력광으로, 상기 출력광은 상기 단색 파장(λ0)에 대응하는 중심파장(λ1)과, 상기 금속 나노 입자에 의하여 흡수 또는 산란된 파장 성분을 포함하는 출력광을 수렴하고, 광필터에 의하여 상기 입사광의 중심 파장에 대응하는 상기 출력광의 중심 파장(λ1) 부분을 반사시키고, 상기 입사광의 상기 중심 파장을 제외하는 나머지 부분을 통과시키는 단계; 및
    (d) 상기 중심 파장에 대응하는 상기 출력광의 상기 중심 파장(λ1) 부분을 광 검출기를 통하여 수렴하고, 상기 중심 파장을 제외하는 상기 나머지 부분을 분광계를 통하여 수렴하는 단계를 포함하되, 상기 출력광의 상기 중심 파장(λ1) 부분에 대하여 국부화 표면 플라즈몬 공명 신호 측정을 수행하는 과정과 상기 출력광의 상기 나머지 부분에 대하여 표면 증강 라만 산란 신호 측정을 수행하는 과정을 포함하는 광섬유 기반의 센서 시스템을 이용하는 광신호 측정 방법.
  10. 삭제
  11. 제9 항에 있어서,
    상기 (d)단계에 있어서, 상기 출력광의 상기 중심 파장(λ1) 부분에 대하여 국부화 표면 플라즈몬 공명 신호 측정을 수행하는 과정과, 상기 출력광의 상기 나머지 성분에 대하여 표면 증강 라만 산란 신호 측정을 수행하는 과정은 동시에 수행되는 광신호 측정 방법.
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