KR102059658B1 - 2차 고조파를 이용한 초고해상도 광활성 원자 현미경 - Google Patents

2차 고조파를 이용한 초고해상도 광활성 원자 현미경 Download PDF

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Abstract

본 발명은 2차 고조파를 이용한 초고해상도 광활성 원자 현미경에 관한 것이다. 상기 광활성 원자 현미경은, 시료를 열탄성 팽창시키기 위하여, 상기 대물대의 소정의 위치로 사전 설정된 기준 주파수의 펄스 레이저 빔을 포커싱하여 제공하는 광활성용 광 제공부; 말단부에 캔틸레버 팁이 장착된 캔틸레버; 상기 캔틸레버 팁의 진동에 따라 변화되는 캔틸레버 팁의 위치에 대응되는 신호를 검출하여 제공하는 신호 검출부; 상기 신호 검출부로부터 제공되는 신호들로부터 1차 고조파 신호 및 2차 고조파 신호를 검출하여 출력하는 록인 증폭기 모듈; 상기 록인 증폭기 모듈로부터 제공된 1차 고조파 신호 및 2차 고조파 신호를 이용하여 각각 상기 시료에 대한 제1 초고해상도 영상 및 제2 초고해상도 영상을 생성하는 영상 신호 처리부; 및 상기 캔틸레버 및 상기 이송 스테이지의 움직임을 제어하는 현미경 제어기; 를 구비하고, 상기 현미경 제어기의 제어에 따라 상기 캔틸레버 팁이 시료의 표면에 접촉되도록 구성되어, 시료의 열탄성 팽창에 따른 캔틸레버 팁의 움직임을 감지하여 시료에 대한 광학적 특성을 검출한다.
상기 2차 고조파 신호를 이용한 제2 초고해상도 영상은 1차 고조파 신호에 따른 제1 초고해상도 영상보다 더 좋은 신호 대비(Contrast)를 갖게 되어, 해상도를 향상시킬 수 있게 된다.

Description

2차 고조파를 이용한 초고해상도 광활성 원자 현미경{Photoactivated atomic force microscopy with 2nd harmonic response}
본 발명은 광활성 원자 현미경에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 원자 현미경과 레이저 장치를 결합하고, 분석하고자 하는 시료에 레이저 빔을 포커싱하여 조사하여 시료를 열탄성 팽창시키고, 이에 따라 발생되는 광음향 신호를 원자 현미경의 캔틸레버를 통해 검출하고, 검출된 신호의 1차 고조파 신호 및 2차 고조파 신호를 이용하여 신호 대비(Contrast)가 우수한 나노 단위의 초고해상도 영상을 생성하여 제공하는 것을 특징으로 하는 2차 고조파를 이용한 초고해상도 광활성 원자 현미경에 관한 것이다.
광음향 영상 장치(Photo-acoustic tomography)는, 레이저 등과 같은 높은 에너지를 가지는 광원을 짧은 펄스(pulse) 주기 동안 생체 조직에 조사하여 광 에너지가 생체 조직으로 흡수되어 생체 조직이 열탄성 팽창되었을 때 발생하는 초음파를 측정함으로써 생체 물질의 기능적 구조를 영상화하는 장치이다.
이와 같이, 빛을 이용한 영상 장치의 해상도는 250 nm 이하의 나노 단위의 초고해상도 영상을 획득하기에는 한계가 발생한다. 따라서, 종래의 빛을 이용한 영상 장치들로는 나노 크기의 물질이나 세포 이하 단위의 생체 시료에 대해서는 고유의 광학적 특성을 얻어 내기가 어려운 실정이었다.
이러한 문제점들을 해결하기 위하여, 초고해상도 형광 현미경과 같은 기술들이 개발되어, 세포 이하의 생체 시료에 대해 영상을 얻을 수 있게 되었다. 하지만, 이러한 장치들은 영상을 획득하기 위하여, 외부 형광 조영제를 사용해야 하는 단점이 발생한다.
또한, 기존의 원자 현미경은 시료 표면의 높이 등과 같은 시료에 대한 기계적 특성은 높은 해상도의 영상으로 얻을 수 있으나, 시료 고유의 광흡수도와 같은 광학적 특성들을 뽑아내기에는 한계가 발생한다.
한국공개특허공보 제 10-2014-0001453호 한국등록특허공보 제 10-1327195호 한국공개특허공보 제 10-2016-0148750 호
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 2차 고조파를 이용하여 시료 고유의 광학적 특성을 나타내면서 신호 대비(Contrast)가 우수한 수-나노 단위의 초고해상도의 영상을 얻을 수 있는 초고해상도 광활성 원자 현미경을 제공하는 것이다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 대물대에 탑재되는 시료에 대한 초고해상도 영상을 제공하는 광활성 원자 현미경은, 시료를 스캐닝하기 위하여 상기 대물대를 XY 방향으로 이송시키도록 구성된 이송 스테이지; 시료를 열탄성 팽창시키기 위하여, 상기 대물대의 소정의 위치로 사전 설정된 기준 주파수의 펄스 레이저 빔을 포커싱하여 제공하는 광활성용 광 제공부; 말단부에 캔틸레버 팁이 장착되어 상기 대물대의 상부에 위치하는 캔틸레버; 상기 캔틸레버 팁의 진동에 따라 변화되는 캔틸레버 팁의 위치에 대응되는 신호를 검출하여 제공하는 신호 검출부; 상기 신호 검출부로부터 제공되는 신호들로부터 1차 고조파 신호 및 2차 고조파 신호를 검출하여 출력하는 록인 증폭기 모듈; 상기 록인 증폭기 모듈로부터 제공된 1차 고조파 신호를 이용하여 상기 시료에 대한 제1 초고해상도 영상을 생성하고, 상기 록인 증폭기 모듈로부터 제공된 2차 고조파 신호를 이용하여 상기 시료에 대한 제2 초고해상도 영상을 생성하는 영상 신호 처리부; 및 상기 캔틸레버 및 상기 이송 스테이지의 움직임을 제어하는 현미경 제어기; 를 구비하고, 상기 현미경 제어기의 제어에 따라 상기 캔틸레버 팁이 시료의 표면에 접촉되도록 구성되어, 시료의 열탄성 팽창에 따른 캔틸레버 팁의 움직임을 감지하여 시료에 대한 광학적 특성을 검출한다.
전술한 특징에 따른 초고해상도 광활성 원자 현미경에 있어서, 상기 현미경 제어기는, 상기 신호 검출부로부터 캔틸레버 팁의 위치에 따른 신호를 수신하여 상기 영상 신호 처리부로 제공하고,
상기 영상 신호 처리부는, 상기 현미경 제어기로부터 제공된 신호를 이용하여 열탄성 팽창된 시료에 대한 topography 영상을 생성하여 출력하는 토포그래피 처리부를 더 구비하는 것이 바람직하다.
전술한 특징에 따른 초고해상도 광활성 원자 현미경에 있어서, 상기 록인 증폭기 모듈은, 상기 신호 검출부로부터 제공되는 신호들로부터 상기 기준 주파수(f r )에 대응되는 1차 고조파 신호를 검출하여 출력하는 제1 록인 증폭기; 및 상기 신호 검출부로부터 제공되는 신호들로부터 상기 기준 주파수의 2배의 주파수(2 f r )에 대응되는 2차 고조파 신호(2nd harmonic response)를 검출하여 출력하는 제2 록인 증폭기; 를 구비하는 것이 바람직하다.
전술한 특징에 따른 초고해상도 광활성 원자 현미경에 있어서, 상기 기준 주파수는 광활성용 광 제공부의 광원으로부터 제공되는 펄스 레이저 빔의 반복률(Repetition rate)과 동일한 주파수인 것이 바람직하다.
전술한 특징에 따른 초고해상도 광활성 원자 현미경에 있어서, 상기 신호 검출부는, 상기 캔틸레버의 상면에 위치한 광 반사층으로 레이저 빔을 조사하는 움직임 감지용 광원; 및 상기 움직임 감지용 광원으로부터 조사된 레이저 빔이 상기 캔틸레버의 광 반사층으로부터 반사된 광을 검출하여 전기적 신호로 변환하여 출력하는 광 위치 검출소자;을 구비하여, 상기 캔틸레버 팁의 진동에 따라 변화되는 캔틸레버 팁의 위치에 대응되는 신호를 검출하여 제공하는 것이 바람직하다.
전술한 구성을 갖는 본 발명에 따른 초고해상도 광활성 원자 현미경은 수-나노 단위의 초고해상도를 갖는 영상을 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 2차 고조파 신호를 이용함으로써 우수한 신호 대비(Contrast)를 갖는 초고해상도 영상을 제공할 수 있게 된다. 특히, 2차 고조파 신호에 의한 영상은, 시료에서 발생하는 비선형 효과를 활용하므로, 1차 고조파 신호에 의한 영상보다 더 좋은 신호 대비(contrast)를 얻을 수 있게 되며, 그 결과 1차 고조파 신호에 의한 영상보다 더 좋은 해상도의 영상을 얻을 수 있게 된다.
따라서, 본 발명에 따른 초고해상도 광활성 원자 현미경은 기존의 빛을 이용한 현미경들로는 얻지 못한 나노 단위의 물질, 예컨대 나노 입자, 나노선, 세포 등에 대한 광학적 특성을 얻을 수 있게 된다.
특히, 본 발명에 따른 초고해상도 광활성 원자 현미경은, 화학, 제약 및 생명 공학, 재료 공학, 에너지, 식품, 의학 등의 다양한 분야에 활용될 수 있으며, 금속, 고분자, 전자재료, 생물 표면의 모폴로지 관찰 및 광학적 특성을 분석하는데 활용될 수도 있다. 또한, 반도체 분야에서 반도체 소자 크기가 나노 단위로 작아짐에 따라 미세 구조에 대한 정확한 계측 및 분석이 요구되는 바, 본 발명에 따른 초고해상도 광활성 원자 현미경은, 비파괴 방식으로 이러한 반도체 소자의 계측 및 분석에도 활용 될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 초고해상도 광활성 원자 현미경은, 나노 입자에 대한 광학적 특성 분석으로 바이오 마커(bio-marker) 및 조영제에 대한 나노 단위 광특성 분석이 가능해서, life science 분야에서도 활용될 수 있다.
한편, 종래의 빛을 이용한 현미경의 해상도는 초점된 레이저 빔의 파장에 영향을 받게 되므로 최대 250 nm의 해상도를 가지므로, 그 이하 크기인 나노 물질 및 세포 이하 단위의 물질에 대해서는 광학적 특성 분석이 불가능하였다. 하지만, 본 발명에 따른 광활성 원자 현미경은 수-나노 단위의 초고해상도 영상을 가질 수 있게 되어, 나노 입자, 나노선, 세포 크기 이하의 물질인 인플루엔자 바이러스(Influenza virus), 리보솜(ribosome), 녹색 형광 단백질(Green Fuorescent Protein) 등의 물질에 대해서도 물질 고유의 광학적 특성을 얻을 수 있게 된다.
또한, 종래의 전자 현미경 또는 초고해상도 형광 현미경 등은 나노 크기의 물질 영상을 얻기 위하여 사용되었는데, 이러한 현미경들은 외부 형광 조영제를 사용해야 하거나 물질의 전도성을 위해서 코팅을 하는 등의 실험 전 샘플 준비 과정이 필요하게 된다. 또한, 전자 현미경은 영상을 얻기 위하여 강한 진공 상태가 요구되는 단점이 있다. 하지만, 본 발명에 따른 초고해상도 광활성 원자 현미경은 시편 준비에 있어 특별한 처리가 필요하지 않을 뿐만 아니라, 진공 상태가 아닌 일반 실험 환경에서 나노 단위의 신호를 얻을 수 있게 되는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초고해상도 광활성 원자 현미경을 개념적으로 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초고해상도 광활성 원자 현미경에 있어서, (a) 및 (b)는 PVC 블랙 테이프 샘플(PVC)과 유리 샘플(Galss)에 대하여 각각 1차 고조파 신호와 2차 고조파 신호를 도시한 그래프들이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초고해상도 광활성 원자 현미경을 이용하여 얻은 금 나노 입자에 대한 영상들과 1차 고조파 및 2차 고조파 신호 비교 그래프들이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초고해상도 광활성 원자 현미경을 이용하여 얻은 다양한 종류의 나노선에 대한 영상들과 1차 고조파 및 2차 고조파 신호 비교 그래프들이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초고해상도 광활성 원자 현미경을 이용하여 얻은 흑색종 세포에 대한 영상들과 높이 및 2차 고조파 신호 비교 그래프들이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초고해상도 광활성 원자 현미경을 이용하여 얻은 애기장대 세포에 대한 영상들과 높이 및 2차 고조파 신호 비교 그래프들이다.
본 발명에 따른 2차 고조파를 이용한 초고해상도 광활성 원자 현미경은 펄스 레이저를 이용한 광학 시스템과 원자사이에 작용하는 힘을 이용하여 물질 표면의 높이 영상을 얻어내는 원자 현미경을 결합한 새로운 방식의 융합형 영상 처리 및 분석 기기이다. 본 발명에 따른 초고해상도 광활성 원자 현미경은, 시료에 짧은 펄스의 레이저를 조사하게 되면 시료가 갖는 고유의 광흡수 특성에 비례해서 빛을 흡수하게 되며, 시료에 흡수된 빛 에너지는 시료의 열탄성 팽창 (Thermal expansion)을 발생시키고, 이에 따라 시료는 진동하게 된다. 이때 시료의 진동은 시료와 맞닿아 있는 캔틸레버의 진동을 야기하게 되고, 캔틸레버가 진동되는 것은 캔틸레버 위에서 반사되는 움직임 감지용 레이저도 함께 진동하게 되고, 이 레이저의 움직임은 광위치 검출기(PSPD)에 의해 감지된다. 물질의 진동하는 정도에 따라서 캔틸레버가 휘는 정도 (진동 진폭의 정도)가 정해지고 광위치 검출기로부터 검출되는 신호의 진폭도 정해지게 된다. 광위치 검출기로부터 검출된 신호는 록인 증폭기(Lock-in amplifier)를 이용해서 조사된 펄스 레이저의 반복률 (Repetition rate)에 일치하는 주파수 응답 신호를 얻어내어 영상화하게 된다. 이 때 본 발명에서는, 펄스 레이저 반복률의 2배에 해당하는 2차 고조파 신호 (2nd harmonic response)를 뽑아내어 영상화하는 것을 특징으로 한다. 상기 2차 고조파 신호에 의한 영상은 시료에서 발생하는 비선형 효과를 활용함으로써, 1차 고조파 신호에 의한 영상보다 더 좋은 신호 대비를 얻을 수 있고, 이로 인해 더 좋은 해상도의 영상을 얻을 수 있게 된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 2차 고조파를 이용한 초고해상도 광활성 원자 현미경의 구조 및 동작에 대하여 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초고해상도 광활성 원자 현미경을 개념적으로 도시한 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 초고해상도 광활성 원자 현미경(1)은, 대물대에 탑재되는 시료(Sample)에 대한 초고해상도 영상을 제공하는 것으로서, 시료를 탑재하는 대물대(162), 시료로 광활성용 광을 제공하는 광활성용 광 제공부(100), 말단부의 캔틸레버 팁이 시료의 표면에 접촉되도록 구성된 캔틸레버(110), 캔틸레버를 통해 시료에 대한 광학적 특성 신호를 검출하여 제공하는 신호 검출부(120), 록인 증폭기 모듈(140), 현미경 제어기(130), 상기 록인 증폭기 모듈 및 현미경 제어기로부터 제공되는 신호들을 이용하여 시료에 대한 광학적 영상을 제공하는 영상신호 처리부(150), 및 시료 스캐닝을 위하여 상기 대물대를 XY 방향으로 이송시키는 이송 스테이지(160)를 구비한다. 전술한 구성을 갖는 초고해상도 광활성 원자 현미경(1)은 분석하고자 하는 시료에 대하여 레이저 빔을 초점하여 시료 조직이 빛을 흡수함으로써 열탄성 팽창을 야기하고, 이렇게 발생된 열탄성 팽창을 원자 현미경의 캔틸레버 팁을 통해 광신호의 형태로 읽어 들여 처리하여, 나노 단위의 초고해상도 영상을 얻게 된다. 특히, 본 발명에 따른 초고해상도 광활성 원자 현미경(1)은 시료의 광활성을 위해 제공되는 펄스 레이저의 반복률인 기준 주파수에 대응되는 1차 고조파 신호와 기준 주파수의 2배에 해당하는 주파수에 대응되는 2차 고조파 신호를 이용하여 더 좋은 신호 대비(Contrast)를 가지는 초고해상도 영상을 생성하여 제공하는 것을 특징으로 한다.
이하, 전술한 각 구성 요소들에 대하여 구체적으로 설명한다.
먼저, 상기 초고해상도 광활성 원자 현미경(1)은 대물대(162)에 분석하고자 하는 시료(Sample)를 탑재시키고, 이송 스테이지(160)를 이용하여 시료를 스캐닝하게 된다.
상기 이송 스테이지(160)는 현미경 제어기(130)의 제어에 따라 시료 스캐닝을 위하여 상기 대물대를 XY 방향으로 이송하도록 구성됨으로써, 대물대에 탑재된 시료의 소정 영역에 대하여 스캐닝할 수 있도록 한다.
상기 광활성용 광 제공부(100)는, 광원 제어기(102), 광원(104), 광 섬유(106) 및 초점 조절기(focuser; 108)를 구비하여, 시료를 광활성시키기 위한 광을 제공하기 위하여, 광원으로부터 제공되는 사전 설정된 기준 주파수의 레이저 빔을 시료로 포커싱한다.
상기 광원(104)은 상기 광원 제어기(102)의 제어에 따라, 레이저 빔의 주파수를 조정할 수 있는 펄스 레이저 빔 또는 연속파 레이저 빔을 생성하여 조사하게 된다. 상기 광원 제어기(102)는 사전 설정된 기준 주파수(f r )로 레이저 빔을 조사하도록 광원을 제어한다. 여기서, 상기 기준 주파수는 광원으로부터 조사되는 펄스 레이저 빔의 반복률(Repetition rate)을 의미한다.
상기 광원의 출력단은 광 섬유(106)의 일단에 연결되고, 광섬유의 타단에는 초점 조절기(108)가 연결되어, 초점 조절기를 통해 광원의 레이저 빔은 시료에 포커스된다. 상기 초점 조절기(108)는 콜리메이터 등으로 구성될 수 있다.
상기 캔틸레버(110)는, 말단부에 캔틸레버 팁(112)이 장착되어 상기 대물대의 상부에 위치한다. 상기 캔틸레버 팁(112)은 상기 광활성용 광 제공부(100)에 의해 조사된 레이저 빔에 의해 포커싱된 시료의 표면과 접촉되도록 구성된다.
상기 신호 검출부(120)는 움직임 감지용 광원(122) 및 광 위치 검출 소자(124)를 구비하여, 상기 캔틸레버 팁의 진동에 따른 캔틸레버 팁의 위치에 대응되는 신호를 검출하여 제공함으로써, 시료에 대한 광학적 특성 신호를 검출하여 제공하게 된다.
상기 움직임 감지용 광원(122)은 레이저 빔을 생성하여 광 반사층이 형성되어 있는 캔틸레버(110)의 상면으로 조사하게 된다. 상기 광 위치 검출소자(Position-Sensitive Photodetector;'PSPD';124)는 상기 캔틸레버의 상면으로부터 반사되는 레이저 빔을 감지하고, 감지된 신호는 록인 증폭기 모듈(140) 및 현미경 제어기(130)로 제공하게 된다.
시료의 열팽창 탄성에 따른 캔틸레버 팁의 변위(
Figure 112017102004144-pat00001
)는 수학식 1에 의해 구할 수 있다.
Figure 112017102004144-pat00002
여기서,
Figure 112017102004144-pat00003
는 열로 변환된 광 흡수 에너지의 퍼센트(percentage)이며,
Figure 112017102004144-pat00004
는 입사된 레이저 빔의 세기이며,
Figure 112017102004144-pat00005
는 시료의 광 흡수 계수이며,
Figure 112017102004144-pat00006
는 평균 열 전도도이며,
Figure 112017102004144-pat00007
는 레이저 반복율, 즉 기준 주파수이며,
Figure 112017102004144-pat00008
는 비선형 효과의 크기를 나타내는 상수이다. 따라서, 수학식 1의 첫번째 term은 1차 고조파 신호에 관련된 항목이며, 두번째 term은 2차 고조파 신호에 관련된 항목이다.
따라서, 본 발명에 따른 광활성 원자 현미경은 2차 고조파 신호를 이용함으로써, 광활성 신호의 비선형 효과를 끌어낼 수 있게 되고, 그 결과 더 좋은 신호 대비를 가지고 영상의 해상도를 향상시킬 수 있게 된다.
상기 록인 증폭기 모듈(140)은 1차 고조파 신호를 검출하는 제1 록인 증폭기(142) 및 2차 고조파 신호를 검출하는 제2 록인 증폭기(144)를 구비한다.
상기 제1 록인 증폭기(142)는, 상기 신호 검출부(120)로부터 제공되는 신호들로부터 상기 기준 주파수(f r )와 일치하는 1차 고조파 신호를 검출하여 영상 신호 처리부(150)로 출력한다.
상기 제2 록인 증폭기(144)는 상기 신호 검출부(120)로부터 제공되는 신호들로부터 상기 기준 주파수의 2배에 해당하는 주파수(2f r )와 일치하는 2차 고조파 신호를 검출하여 영상 신호 처리부(150)로 출력한다.
상기 영상신호 처리부(150)는 제1 영상 신호 처리부(152), 제2 영상 신호 처리부(154) 및 토포그래피 처리부(156)를 구비하여, 상기 록인 증폭기 모듈 및 현미경 제어기로부터 제공되는 신호들을 이용하여 시료에 대한 광학적 영상들을 생성하여 출력한다.
상기 제1 영상 신호 처리부(152)는 상기 록인 증폭기 모듈의 제1 록인 증폭기(142)로부터 제공된 1차 고조파 신호의 진폭과 위상 정보를 이용하여 상기 시료에 대한 제1 초고해상도 영상을 생성하여 출력한다.
상기 제2 영상 신호 처리부(154)는 상기 록인 증폭기 모듈의 제2 록인 증폭기(144)로부터 제공된 2차 고조파 신호(2nd harmonic response)의 진폭과 위상 정보를 이용하여 상기 시료에 대한 제2 초고해상도 영상을 생성하여 출력한다.
상기 토포그래피 처리부(156)는 상기 현미경 제어기(130)를 통해 상기 신호 검출부로부터 제공된 신호를 수신하여 시료에 대한 표면 높이 정보를 담은 토포그래피(Topography) 영상을 생성하여 출력한다.
상기 현미경 제어기(130)는 상기 캔틸레버 및 상기 이송 스테이지의 움직임을 제어하고, 상기 신호 검출부의 광 위치 검출기로부터 캔틸레버 팁의 위치에 따른 신호들을 수신하여 상기 영상 신호 처리부로 제공한다.
본 발명에 따른 초고해상도 광활성 원자 현미경은, 상기 현미경 제어기의 제어에 따라 상기 캔틸레버 팁이 시료의 표면에 접촉되도록 구성되고, 상기 신호 검출부의 광 위치 검출기가 시료의 열탄성 팽창에 따른 캔틸레버 팁의 움직임을 감지하여 시료에 대한 광학적 특성을 검출하게 된다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초고해상도 광활성 원자 현미경에 있어서, (a) 및 (b)는 PVC 블랙 테이프 샘플(PVC)과 유리 샘플(Galss)에 대하여 광활성을 위한 광원(100)의 세기가 증가함에 따른 1차 고조파 신호와 2차 고조파 신호를 각각 도시한 그래프들이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 초고해상도 광활성 원자 현미경에 의한 2차 고조파 신호는 1차 고조파 신호에 비하여 신호 대비(Contrast)가 더 우수함을 쉽게 파악할 수 있다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초고해상도 광활성 원자 현미경을 이용하여 얻은 금 나노 입자에 대한 영상들과 1차 고조파 신호 및 2차 고조파 신호비교 그래프들이다. 도 3의 (a)는 Topography 영상으로서, 시료의 위치를 파악할 수 있다. 도 3의 (d)와 (g)는 각각 펄스 레이저를 사용하지 않은 상태에서 얻은 시료에 대한 진폭 및 위상 영상으로서, 이 경우 아무런 신호도 얻을 수 없음을 알 수 있다.
한편, 도 3의 (e)와 (h)는 펄스 레이저를 온(ON) 시키고 얻은 1차 고조파 신호의 진폭과 위상 영상을 각각 도시한 것으로서, 금 나노 입자위에서 유리 기판에서와 다른 신호가 나오는 것을 확인할 수 있다. 이는 금 나노 입자는 유리 기판에 비하여 더 강한 광흡수 특성을 가지므로, (e)의 진폭 영상에서 더 큰 신호를 얻는 것을 확인할 수 있게 된다.
도 3의 (f)와 (i)는 펄스 레이저를 온(ON) 시키고 얻은 2차 고조파 신호의 진폭과 위상 영상을 각각 도시한 것으로서, 금 나노 입자위에서 유리 기판에서와 다른 신호가 나오는 것을 확인할 수 있다.
도 3의 (b)는 (e)의 1차 고조파 신호의 진폭 신호(빨간 화살표)와 (f)의 2차 고조파 신호의 진폭 신호(파란 화살표)를 비교하여 도시한 그래프로서, 2차 고조파 신호의 진폭 신호가 1차 고조파 신호의 진폭 신호에 비하여 더 좋은 신호 대비(Contrast)를 가짐을 쉽게 확인할 수 있다.
도 3의 (c)는 (b)의 그래프를 확대한 그래프로써, 2차 고조파 신호의 진폭 신호로부터 선을 피팅하여 영상의 해상도 계산을 도시한 그래프로서, 해상도가 약 8.3 nm 로 계산된다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초고해상도 광활성 원자 현미경을 이용하여 얻은 다양한 종류의 나노선에 대한 영상들과 1차 고조파 신호 및 2차 고조파 신호 비교 그래프들이다.
도 4를 참조하면, 광활성 원자 현미경을 사용하여 서로 다른 광흡수 특성을 갖는 나노 선의 영상들을 볼 수 있다. 도 4의 (a)는 준비된 시료에 대한 단면도 및 평면도로서, 실리콘(Si) 기판위에 포토 레지스트(PR), 실리콘(Si), 은 나노선(Ag)이 배치되어 있다. 도 4의 (b) 및 (c)는 (a)의 시료에 대하여 본 발명에 따른 광활성 원자 현미경을 사용하여 얻은 Topography 영상 및 높이 그래프이다. 도 4의 (b) 및 (c)를 참조하면, 각 나노선들 간의 높이차이가 크지 않음을 알 수 있으며, 이로 인해 각 나노선을 분간해낼 수 없다. 도 4의 (d) 및 (h)는 각각 펄스 레이저를 사용하지 않은 상태에서 얻은 시료에 대한 진폭 및 위상 영상으로서, 이 경우 아무런 신호도 얻을 수 없음을 알 수 있다. 한편, 도 4의 (e)와 (i)는 펄스 레이저를 온(ON) 시키고 얻은 1차 고조파 신호의 진폭과 위상 영상을 각각 도시한 것이다. 도 4의 (f)와 (j)는 펄스 레이저를 온(ON) 시키고 얻은 2차 고조파 신호의 진폭과 위상 영상을 각각 도시한 것이다. 도 4의 (g)는 (e)의 1차 고조파 신호의 진폭 신호(빨간 실선)와 (f)의 2차 고조파 신호의 진폭 신호(파란 점선)를 비교하여 도시한 그래프이며, 도 4의 (k)는 (i)의 1차 고조파 신호의 위상 신호(빨간 실선)와 (j)의 2차 고조파 신호의 위상 신호(파란 점선)를 비교하여 도시한 그래프이다.
도 4의 (e)와 (f)를 통해, 나노선 간의 진폭 신호 차이가 남을 확인할 수 있으며, 그 진폭 신호의 차이를 통해 2차 고조파 신호에서 1차 고조파 신호보다 더 좋은 신호 대비(Contrast)를 얻을 수 있음을 확인할 수 있다. 또한, 실리콘(Si) 기판과 실리콘(Si) 나노선은 그 높이 차이가 다르더라도 물질의 광학적 특성이 동일하므로 진폭 신호에서 큰 차이가 나지 않음을 확인할 수 있다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초고해상도 광활성 원자 현미경을 이용하여 얻은 흑색종 세포에 대한 영상들과 높이 및 2차 고조파 신호 비교 그래프들이다.
도 5의 영상은 흑색종 세포 영상들로서, (a)는 30㎛ × 30㎛ 의 영상으로서 한 개의 세포 전체에 대한 Topography 영상, 2차 고조파 신호로부터 얻은 진폭 영상 및 위상 영상이며, (b)는 10㎛ × 10㎛ 으로, (c)는 2㎛ × 2㎛ 으로 순차적으로 확대한 영상이다. 도 5의 (d) 및 (e)는 Topography 의 높이 신호와 2차 고조파 진폭 신호를 비교하여 도시한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초고해상도 광활성 원자 현미경을 이용하여 얻은 애기장대 세포(식물 세포)에 대한 영상들과 비교 그래프들이다. 도 6의 영상은 식물 세포인 애기장대 세포 영상들로서, (a)는 30㎛ × 30㎛ 의 영상으로서 한 개의 세포 전체에 대한 Topography 영상(Topography), 2차 고조파 신호로부터 얻은 진폭 영상(Amplitude) 및 위상 영상(Phase), 및 같은 위치에서의 전자현미경 영상(SEM)이며, (b)는 10㎛ × 10㎛ 으로, (c)는 2㎛ × 2㎛ 으로 순차적으로 확대한 영상이다. 도 6의 (d) 및 (e)는 Topography 의 높이 신호, 2차 고조파 진폭 신호, 전자 현미경 신호를 비교하여 도시한 그래프이다. 일반적으로 많이 사용되는 전자 현미경 신호와 2차 고조파 진폭 신호 비교를 통해서, 나노 크기의 물질이 가지는 광특성 신호 분석을 위한 신뢰성을 확보할 수 있게 된다.
도 5와 도 6을 통해, 본 발명에 따른 광활성 원자 현미경으로 외부 조영제 없이 수십 나노의 크기를 갖는 생물학적 물질들의 광학적 특성을 얻어낼 수 있음을 확인할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 광활성 원자 현미경을 이용함으로써, 상대적으로 신호가 낮아서 1차 고조파 신호로 검출하지 못했던 물질의 광 특성을 신호 대비가 우수한 2차 고조파 신호를 이용하여 물질의 나노 구조를 파악할 수 있게 된다.
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.
1 : 초고해상도 광활성 원자 현미경
100 : 광활성용 광 제공부
102 : 광원 제어기
104 : 광원
106 : 광 섬유
108 : 초점 조절기(focuser)
110 : 캔틸레버
112 : 캔틸레버 팁
120 : 신호 검출부
122 : 움직임 감지용 광원
124 : 광 위치 검출 소자
140 : 록인 증폭기 모듈
142 : 제1 록인 증폭기
144 : 제2 록인 증폭기
130 : 현미경 제어기
150 : 영상신호 처리부
152 : 제1 영상 신호 처리부
154 : 제2 영상 신호 처리부
156 : 토포그래피 처리부
160 : 이송 스테이지
162 : 대물대

Claims (5)

  1. 대물대에 탑재되는 시료에 대한 초고해상도 영상을 제공하는 광활성 원자 현미경에 있어서,
    시료를 스캐닝하기 위하여 상기 대물대를 XY 방향으로 이송시키도록 구성된 이송 스테이지;
    시료를 열탄성 팽창시키기 위하여, 상기 대물대의 소정의 위치로 사전 설정된 기준 주파수(fr )를 갖는 펄스 레이저 빔을 포커싱하여 제공하는 광활성용 광 제공부;
    말단부에 캔틸레버 팁이 장착되어 상기 대물대의 상부에 위치하는 캔틸레버;
    상기 캔틸레버 팁의 진동에 따라 변화되는 캔틸레버 팁의 위치에 대응되는 신호를 검출하여 제공하는 신호 검출부;
    상기 신호 검출부로부터 제공되는 신호들로부터 1차 고조파 신호 및 2차 고조파 신호를 검출하여 출력하는 록인 증폭기 모듈;
    상기 록인 증폭기 모듈로부터 제공된 1차 고조파 신호를 이용하여 상기 시료에 대한 제1 초고해상도 영상을 생성하고, 상기 록인 증폭기 모듈로부터 제공된 2차 고조파 신호를 이용하여 상기 시료에 대한 제2 초고해상도 영상을 생성하는 영상 신호 처리부; 및
    상기 캔틸레버 및 상기 이송 스테이지의 움직임을 제어하는 현미경 제어기;
    를 구비하고,
    상기 기준 주파수(fr )는 광활성용 광 제공부의 광원으로부터 시료로 제공되는 펄스 레이저 빔의 반복률(Repetition rate)과 동일한 주파수인 것을 특징으로 하며,
    상기 현미경 제어기의 제어에 따라 상기 캔틸레버 팁이 시료의 표면에 접촉되도록 구성되어, 시료의 열탄성 팽창에 따른 캔틸레버 팁의 움직임을 감지하여 시료에 대한 광학적 특성을 검출하는 것을 특징으로 하는 초고해상도 광활성 원자 현미경.
  2. 제1항에 있어서, 상기 현미경 제어기는, 상기 신호 검출부로부터 캔틸레버 팁의 위치에 따른 신호를 수신하여 상기 영상 신호 처리부로 제공하고,
    상기 영상 신호 처리부는, 상기 현미경 제어기로부터 제공된 신호를 이용하여 열탄성 팽창된 시료에 대한 표면 높이 정보를 포함하는 topography 영상을 생성하여 출력하는 토포그래피 처리부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 초고해상도 광활성 원자 현미경.
  3. 제1항에 있어서, 상기 록인 증폭기 모듈은,
    상기 신호 검출부로부터 제공되는 신호들로부터 상기 기준 주파수(f r )에 대응되는 1차 고조파 신호를 검출하여 출력하는 제1 록인 증폭기; 및
    상기 신호 검출부로부터 제공되는 신호들로부터 상기 기준 주파수의 2배의 주파수(2f r )에 대응되는 2차 고조파 신호(2nd harmonic response)를 검출하여 출력하는 제2 록인 증폭기;
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 초고해상도 광활성 원자 현미경.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 신호 검출부는,
    상기 캔틸레버의 상면에 위치한 광 반사층으로 레이저 빔을 조사하는 움직임 감지용 광원; 및
    상기 움직임 감지용 광원으로부터 조사된 레이저 빔이 상기 캔틸레버의 광 반사층으로부터 반사된 광을 검출하여 전기적 신호로 변환하여 출력하는 광 위치 검출소자;
    을 구비하여, 상기 캔틸레버 팁의 진동에 따라 변화되는 캔틸레버 팁의 위치에 대응되는 신호를 검출하여 제공하는 것을 특징으로 하는 초고해상도 광활성 원자 현미경.
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