KR102337373B1 - 시간-도메인 적외선 분광법(필드-분해 진동 분광법)에 의한 샘플의 편광 응답 변화를 측정하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents
시간-도메인 적외선 분광법(필드-분해 진동 분광법)에 의한 샘플의 편광 응답 변화를 측정하기 위한 방법 및 장치 Download PDFInfo
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Abstract
샘플(1), 특히 생물학적 샘플의 분극 응답을 측정하는 방법은, 일련의 여기파(2)를 생성하는 단계, 여기파(2)와 샘플(1)의 상호 작용을 포함하여 일련의 여기파(2)로 샘플(1)을 조사하여, 샘플 메인 펄스와 샘플 글로벌 분자 핑거 프린트(GMF) 파((EGMF(sample)(t))의 중첩을 포함하는 일련의 샘플파(3)를 각각 생성하는 단계, 여기파(2)와 기준 샘플(1A)의 상호 작용을 포함하여 일련의 여기파(2)로 기준 샘플(1A)에 조사하여, 기준 메인 펄스와 기준 GMF 파((EGMF(ref)(t))의 중첩을 포함하는 일련의 기준파(3A)를 생성하는 단계, 공간 및/또는 시간에서 샘플파(3)와 기준파(3A) 모두에 공통인 GMF 파 기여로부터 샘플파(3)와 기준파(3A)의 차이를 광학적으로 분리하는 단계, 및 샘플파(3)와 기준파(3A)의 차이를 검출하고 각각 샘플과 기준 GMF 파의 차이를 포함하는 dMF(differential molecular fingerprint) 파((ΔEGMF)(4))의 시간 진폭을 결정하는 단계를 포함한다. 또한, 샘플(1)의 편광 응답을 측정하는 분광 장치가 기재되어 있다.
Description
본 발명은 광학필드 여기(excitation)에 대한 샘플의 편광 응답을 측정하는 방법에 관한 것으로 특히, 생물학적 샘플 분자의 진동 응답 및 편광 응답의 변화에 관한 것이다. 시간 영역에서 유도된 샘플 편광에 의해 방사되어 빠르게 발진하는 전기장(eletric field)을 직접 샘플링함으로써, 샘플 분자의 편광 응답은 필드-분해 분광법에 의해 측정된다. 또한, 본 발명은 샘플 특히 생물학적 샘플의 편광 응답을 측정하기 위한 분광 장치에 관한 것이다. 본 출원은 샘플의 물리 화학적 특성/조건에 따른 변화 특히, 생물학적 샘플의 분자 조성에 따른 변화를 검출하는 것이다. 가능한 생물학적 샘플에는 인간 또는 동물 유기체 특히 체액, 조직 뿐만 아니라 살아있는 유기체의 개별 세포로부터의 기체/액체/고체 형상(phase)의 샘플을 포함한다.
분자란 살아있는 유기체의 가장 작은 기능의 구조 블럭(building block)이다. 생체 시스템은 굉장히 다양한 분자의 존재를 필요로 한다. 그들의 존재량(abundance)은 유기체가 적절히 기능할 수 있도록 좁은 범위 내에서 변할 수 있다. 현저한 예로서 세포 또는 혈액은 수만개의 상이한 분자로 구성되며, 그 농도는 신체의 생리학적 상태에 의존한다. 따라서 혈액의 개별 분자 성분의 존재량에 따른 실제적인 변화는 비정상적인 생리의 지표(indicator)가 될 수 있다. 이러한 변화는 질병의 진행, 그 응답 및 치료에 대한 내성의 검출 및 후속 모니터링을 위한 분자 병리의 기초 및 특정 장애에 대한 개인의 감수성을 평가하는데 사용된다. 또한, 상이한 유형의 세포로 이루어진 분자 조성의 차이는 세포 유형(예를 들어, 줄기 세포)을 확인하고 하나의 동일한 유기체로부터 세포를 분류하는데 도움이 될 수 있다.
농도의 가장 큰 상대적인 변화를 갖는 분자(새롭게 생긴 것을 포함)는 질병의 표시 또는 서로 다른 유형의 세포를 구별하는 데 적합하다. 이들 중 작은 부분은 항체 기반 분석으로 개별적으로 식별될 수 있다. 다수의 분자를 동시에 감지하는 종래의 기술은 RNA 시퀀싱 및 질량 분석 (개별 성분 검출) 및 진동 분광법(다수의 표본에서 전체적인 영향을 측정)이 있다. 이들 기술은 주로 관찰 된 신호를 지배하는 고-존재량 성분에 민감하고, 다수의 저-존재량 분자의 경우에는 인식(blind)하기 힘들다. 그러나, 저-존재량 분자의 농도 변화는 또한 매우 중요 할 수 있으며, 예를 들어, 심지어 사이토 카인(cytokine)의 작은 농도 변화는 광범위한 생리학적 효과를 유발하는 것으로 알려져 있다. 저-존재량 분자는 비정상적인 생리학에 의해 야기되는 농도의 큰 상대적인 변화를 갖는 다수의 많은 상이한 분자를 포함해도 좋다. 따라서, 이들은 특별히 상관 관계에 있어서, 질병 표시 또는 세포 식별/분류에 이상적으로 적합할 수도 있다. 이러한 모든 잠재적 분자 표시자(marker)는 현재까지 분자 병리 및 세포 생물학에 접근 할 수 없었다. 결론적으로, 현재까지 분자 병리학 및 세포 생물학에서 지속되는 주요 도전은 복잡한 혼합물에서 고-존재량 및 저-존재량 분자의 최소 농도 변화의 식별이다.
진동 분광법은 평형 위치 (equilibrium positions)주변의 원자핵의 주기적인 진동에 의해 유도된 분자 표본(specimens)의 분극 응답과 관련된 정보를 얻는다. 수십 년 동안, 적외선 분광법(infrared spectroscopy)과 라만 분광법(Raman spectroscopy)(아래 설명)은 훨씬 더 넓은 스펙트럼 범위에서 분자 진동의 진폭 응답을 얻기 위해 사용되고 있다. 이 대응하는 표본-특성 정보는 관례적으로 진동 분자 지문(molecular fingerprint), 간단하게는 분자 지문을 말한다. 문헌에서 이 명칭은 다른 물리적 관찰 대상의 맥락에서도 사용되고 있지만, 항상 고유한 지문(스펙트럼 분극 응답이라고도 함)을 특정 샘플에 연관시키려는 목적으로 사용되고 있다. 다수의 측정 기술에도 불구하고, 종래의 핑거 프린팅 방법은 적당한 감도로 인해서, 샘플의 분자 조성(molecular composition)의 작은 변화 및 저-존재량 성분(low-abundance constituents)을 신뢰성 있게 검출할 수 없다.
전통적으로, 분자 지문은 자기 상관(Fourier-transform spectroscopy, FTS)에 의해 또는 모노 크로 메이터(monochromator)/분광계 배열(spectrometer)을 사용함으로써 주파수 영역에서 측정되어, (간접적으로 또는 직접적으로) 스펙트럼 강도(spectral intensity)를 획득할 수 있다. 샘플의 특정 시그니처는 샘플을 빔 경로에 배치할 때 이러한 강도의 변화에서 명백하게 나타난다. 이로 인해 두 가지 심각한 한계가 야기된다. 첫째, 소스(source)의 강도 노이즈는 샘플에 의해 유발되는 강도 변화를 감지하는 접근/장치의 기능을 손상시킨다. 둘째, 작은 변화가 해결되도록 하는 고강도(high intensity)는 높은 동적 범위를 요구하며, 반드시 유한한 값은 전력 스케일링(power scaling)에 한계를 설정한다. 두 가지 효과 모두 샘플 속성/조건에서 감지할 수 있는 가장 작은 변화를 제한하는 데 기여한다.
가장 최근에, 적외선 흡수 분광법의 검출 한계에 있어서 주요한 진보가 이루어 지고 있다. 그것은 분자 진동의 갑작스런(바람직하게는 펨토초-시간(femtosecond-duration)) 여기(또는 보다 일반적으로: 구조적 역학)와 급격한 여기의 결과로 유도된 분극 응답에 의해 방출되어 빠르게 진동하는 전기장(electric field)의 직접적인 시간 영역(time-domain) 샘플링에 기반한다. 이 필드 샘플링은 여기된 진동의 강도(진폭 응답)와 외부 트리거(trigger)에 응답하는 위상 지연(위상 응답)을 얻을 수 있어, 이를 FRS(Field-Resolved Spectroscopy)라고 부른다. WO 2016/102056 A1에 기술된 이 계획은 샘플의 특성/조건, 특히 생물학적 샘플의 표본 농도에서 작은 변화의 검출시에 감도를 실질적으로 개선하지만, 여전히 고농도 성분으로부터의 기여에 의해 지배되고 있는 신호를 전달하는 단점이 있다. 또한 분자 신호 전에 검출기로 들어가는 초강도 여기 펄스에 의해 감도가 여전히 손상된다. 다음에, FRS의 기본이 되는 물리적 원리를 검토하여 본 발명에 의해 유리한 이점 및 본 발명에 의해 극복된 그 한계의 강조한다.
FRS의 기본 원리
WO 2016/102056 A1에 따른 FRS로 편광 응답을 측정하는 것은 조사중인 샘플(1)의 분자(도 11, 종래 기술)가 간섭광 여기파(coherent light excitation waves)(2)에 의해 여기될 때 광파를 방출하도록 하는 동기(synchronism)(또는 간섭(coherent))에 기초하므로, 이 간섭광 여기파의 필드 진동은 공간과 시간에서 완벽하게 동기화된다. 결과적으로, 동일한 유형 i의 개별 분자로부터의 방출은 구조적으로 추가되어 전기장 Ei(t)의 파동을 일으키며, 이미터의 수(Ni)에 따라 전기장의 강도가 증가한다. 샘플(1)의 모든 분자에 의해 방사된 전체 파동은 전기장의 시간적 변화 형태인 EGMF(t)의 형태로 샘플의 GMF(Global Molecule Fingerprint)를 갖는 이러한 모든 부분 파(partial wave)의 중첩이다. "전역(global)" 속성은 샘플(1)의 GMF가 원칙적으로 예를 들어, 샘플 성분의 작은 서브 세트로 제한되는 바이오 마커에 대한 표적화된 검색(예를 들어, P.E. Geyer 등의 "Cell Syst". 2, 185 (2016) 문헌 참조)과 대조적으로 모든 분자로부터의 정보를 운반(carry)한다는 사실을 강조한다.
분자 여기의 수명보다 훨씬 더 짧은 갑작스런 초단(ultrashort) 여기파(2)(도 11, A. Sommer 등의 "Nature" 534, 86 (2016) 문헌 참조)를 사용하여 분자를 자극적으로 여기시키면 두 부분으로 이루어진 샘플(샘플 웨이브(3))로부터 발산하는 전기장을 발생시킨다. 여기서 두 부분은 샘플의 순간 분극 응답에 의해 수정된 여기 레이저 펄스(이하, 메인 펄스(2)로 지칭) 및 종종 FID(free-induction decay)라고도 하는 샘플의 비-순간 분극 응답으로부터 나온 후미 부분(훨씬 약함)을 말한다. 참조로, FID는 Lanin 등의 "Nature Scientific Reports" 4, 6670 (2014) 문헌 및 Lauberau와 Kaiser의 "Rev. Mod. Phys." 50, 607 (1978) 문헌, 또한 도 11에 도시되어 있다.
생물학적 샘플의 경우, FID 신호는 샘플의 GMF를 전달하므로 GMF 파(또는 GMF 신호)라고 한다. 메인 펄스(2')의 지속 시간이 GMF 신호의 지속 시간보다 실질적으로 짧은 경우, 후자에 대한 직접적인 시간 영역 측정은 (연속파) 주파수 영역 분광법 기술에 비해 근본적인 이점을 나타낸다. GMF 신호는 GMF 신호의 지속 시간보다 훨씬 짧은 규모로 피크 이후에 시간이 지남에 따라 메인 펄스(2')가 기하 급수적으로 감쇠하기 때문에 무-배경(background-free) 방식으로 액세스 할 수 있다.
이를 통해 저농도 표본에서 생성된 매우 약한 신호를 측정(예를 들어, 강화된 감도)할 수 있다. 진동 분광법의 주파수-영역(frequency-domain) 구현과는 대조적으로, 방사선 소스의 강도(intensity) 노이즈는 여기로부터의 일시적 분리로 인해 검출 가능한 최소 GMF 신호로 제한되지는 않는다. 그러나, 소스의 강도 노이즈는 GMF 신호의 상대(relative) 진폭 노이즈로 변환되어 GMF 신호에 기여하는 분자 성분의 농도에서 검출 가능한 최소 변화로 제한을 설정한다.
샘플파(3)의 측정은 WO 2016/102056 A1에 개시된 바와 같이 도 12의 분광 장치(100)로 수행된다. 레이저 펄스 소스(10)로부터의 구동 펄스, 예를 들면 O. Pronin 등의 "Nature Commun." 6, 6988 (2015) 문헌에 기재된 펨토초 레이저는 I. Pupeza 등의 "Nature Photon." 도 9, 721 (2015) 문헌에 기재된 여기 펄스(2)를 생성하는데 사용되어 조사(investigation)중인 샘플(1)을 조사(irradiate)할 수 있으며, 또한 전기 광학 검출기 장치(electro-optic detector device)(20)로 샘플파(3)의 전기-광학 샘플링을 위한 샘플링 펄스(5)를 제공하는데 사용된다. 전기-광학 샘플링은 200 THz를 초과하여 EGMF(t)를 직접 측정할 수 있다(S. Keiber 등의 "Nature Photonics"10, p. 159, 2016 문헌 참조). 여기 펄스(2)는 예를 들어 펄스내(intra-pulse) 차분 주파수(difference-frequency) 생성에 기초한 LiGaS2 결정과 같은 비선형 결정에서 생성된다. 샘플파(3)의 시간 진폭 함수는 샘플(1)의 스펙트럼 응답을 직접적으로 산출하는 푸리에 변환에 적용된다.
추가 장점으로서, WO 2016/102056 A1의 기술은 전기장을 측정하여, 예를 들어 Lanin 등의 "Nature Scientific Reports"4, 6670 (2014) 문헌에서 행해진 FID 강도의 표준 주파수-영역 분광법 또는 시간-영역 측정과 달리 본질적으로 전체 위상 정보에 액세스할 수 있다. FID 강도의 시간-영역 측정에 비해 다른 장점으로, FRS에서 FID 신호는 제곱 값이 아닌 필드 진폭의 (decay)와 함께 선형으로 롤오프(roll-off)된다.
특히,도 12에 따른 기구가 선형 응답을 특징으로하는 경우, 측정된 샘플파(3)는 여기 필드에 대한 샘플의 전체 전자기 응답(electromagnetic response)에 대응한다(샘플이 제거된 동일한 기구에 의해 측정됨). 이러한 방식으로 몇 펨토초 (잠재적으로 펨토초 이하)의 시간 분해능으로 샘플(1)의 거시 편광(macroscopic polarization)의 전체 정보에 액세스 할 수 있다. 중요하게도, 구동 펄스의 전력을 증가시키는 것은 방해되는 배경의 어떠한 증가없이 검출 노이즈 층 위의 유용한 FID(이후, GMF) 신호를 비례적으로 향상시킨다. 따라서, WO 2016/102056 A1의 계획은 소스와 관련하여 실제로 전력 확장 가능하다. 즉, 주파수 도메인 분광법의 상기 한계와는 대조적으로, 여기 전력에 의해 "소진"된 동적 범위없이 소스 전력을 증폭시킴으로써, (훨씬 더 강한) 여기로부터 시간적으로 분리된 분자 신호가 증가될 수있다.또한, 여기 펄스(2) 및 샘플파(3)의 전기 광학 샘플링(EOS)은 열악한 감도의 적외선 광자 검출기의 필요성을 제거할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 이러한 샘플링 기법으로 FRS를 구현하면 샘플 웨이브 이전의 강한 여기 펄스가 가장 작은 GMF 신호 (즉, 가장 약한 샘플 웨이브)를 측정하기 위해 이러한 샘플링 기법의 감도를 손상시킬 수 있다.
매우 최근의 벤치마킹 실험으로부터 일시적으로 분리된 분자 신호는 WO 2016/102056 A1에 개시된 FRS 기술의 프로토 타입(prototype) 실시예로 실시되었다. 벤치마킹 실험에서, FRS 및 FTS 둘 다를 사용하여 물에 희석된 일련의 트레할로스(trehalose)를 조사하였다. 후자를 위해 최첨단 푸리에 변환 분광계 (MIRA-Analyzer, Micro Biolytics)가 사용되었다. 실험은 각각 FRS 및 45s FTS에 대해 50 초의 측정 시간에 대해 0.001 mg/mL 미만 및 대략 0.01 mg/mL의 농도 검출 한계를 나타냈다. 이러한 결과는 약한 GMF 신호의 검출 한계와 관련하여 FRS의 훨씬 우수한 성능을 확인할 수 있다.
여기된 라만 산란의 물리적 원리
진동 분광법의 다른 구현은 여기된 라만 산란(stimulated Raman scattering: SRS)에 기초하며, 여기서 여기된 라만 프로세스는 수 많은 분자 시스템의 시간 및 스펙트럼 진동 구조를 연구하는데 사용되고 있다. SRS에서, 펌프 주파수(pump frequency)(ωρ)와 스토크 주파수(Stokes frequency)(ωs)에 있는 두 개의 여기 필드가 연구중인 샘플로 동시에 전송된다. 여기 빔의 차분 주파수(difference frequency) Δ ω = ωρ-ωs가 샘플 분자의 진동 주파수(Ω)와 일치하면 분자 전이가 향상되어, 전송된 펌프와 스토크 강도의 손실과 이득을 각각 발생시킨다. 이들 강도의 유도된 변화는 일반적으로 샘플의 선형 산란 또는 선형 흡수와 비교하여 작다. 이러한 단점은 여기 필드의 에너지를 스케일링함으로써 (McCamant 등의 "Rev. Sci. Instrum.", 75 (11), 4971 (2004) 문헌), 또는 여기 필드의 고주파 변조 (Freudiger 등의 "Science", 322 (5909), 1857 (2008) 문헌)에 의해 다루어 지지만, 첫번째 접근법은 생물학적 응용에 대한 유용성이 제한적이고 두 번째 접근법은 복잡성 및 획득 시간이 길다.
광대역(옥타브 스팬(octave-spanning) 근처)의 스토크 또는 펌프 펄스를 사용하면 진동 주파수의 전체 스펙트럼에 액세스 할 수 있다. 이 장점을 높은 스펙트럼 분해능과 결합하려면 두 펄스 중 하나가 협대역이어야 하며(스펙트럼 대역폭이 측정하는 스펙트럼 분해능(spectral resolution)을 결정함) 다른 하나는 광대역이어야 한다. 여기서, WO 2016/102056 A1에 기술된 공진 적외선 여기 펄스(resonant infrared excitation pulse)를 사용한 구현 및 그 자체의 스펙트럼 대역에서 무-배경(background-free) 방식으로 구현된 것과 유사하게, GMF 신호는 광대역 및 초단파 펌프 또는 스토크 여기 펄스의 결과로서 다시 나타난다. 그러나, WO 2016/102056 A1에서는 SRS 측정을 다루지 않고 있다.
FRS의 한계
(i) WO 2016/102056 A1에 개시된 바와 같은 FRS가 관심있는 분자 GMF 신호에 대한 민감도 측면에서 주파수 영역 진동 분광법보다 우수한 것으로 입증되고 있지만, 여전히 여러 측면에서 실질적인 개선의 여지를 제공한다. 먼저, EGMF(t)를 측정하는 전기 광학 샘플러의 검출 감도는 여기 펄스가 없을 때보다 수십 배 작아진다. 이는 메인 펄스(2') 및 GMF파을 모두 캐리하는 샘플파(3)의 빔이 샘플러로 부드럽게 집중되어 GMF파 이전의 강한 메인 펄스에 의한 손상을 피할 수 있기 때문이다. 여기 펄스를 제거하면 EOS 검출기에 GMF/샘플파의 포커싱이 훨씬 더 강해져서, 관심있는 약한 GMF/샘플파를 감지 할 때 상대적으로 증가된 감도를 야기한다.
(ii) 또한, 분자 병리학 및 세포 생물학에서, 위에서 설명 된 바와 같이, 주요 과제는 복잡한 혼합물의 저-존재량(low-abundance) 및 고-존재량(high-abundance) 분자의 농도에서의 가장 작은 변화의 식별에 있다. 실제로, 지금까지 논의된 FSR 체계에서, 저-존재량 성분의 농도에서의 높은 상대적 변화 조차도 고-존재량의 표본으로부터의 기여에 의해 완전히 마스크(mask) 될 수 있으며, (여러 성분을 검출할 수 있는 다른 모든 기술에서 제한된 동적 범위에 의해 관찰되지 않은 것처럼) 이들 잠재적인 바이오 마커가 인식되지 않을 수 있다.
(iii) 마지막으로, 생물학적 시료와 같은 복잡한 분자 혼합물의 경우, GMF 신호는 수많은 다른 유형의 분자에 의해 방출된 전기장의 중첩으로 구성되어 저-존재량 및 고-존재량으로 발생될 수 있다. GMF 신호의 진폭이 복잡한 샘플에서 매우 큰 이미터의 수에 따라 증가함에 따라 EGMF(t)의 상대적 강도 잡음도 여기에서 GMF 신호로 전달될 수 있다. 결과적으로, 방사선 소스 노이즈로 인한 진폭 변화는 샘플의 분자 조성에서의 작은 변화에 의해 유발된 시간적 지문을 마스크(mask) 한다. 또한, 이러한 변화는 측정 시스템의 결함으로 인한 가능한 배경을 극복하는데 필요하다.
본 발명의 목적은 샘플, 특히 생물학적 샘플의 시간적 분극 (또는 스펙트럼) 응답을 측정하는 개선된 방법 및 샘플, 특히 생물학적 샘플의 시간적 분극 (또는 스펙트럼) 응답을 측정하기 위한 향상된 분광 장치를 제공하는 것으로, 이러한 샘플은 종래 기술의 한계, 특히 상기 언급된 FRS의 한계를 우회할 수 있다. 편광 응답은 개선된 감도(sensitivity) 및/또는 재현성(reproducibility)으로 측정될 수 있다.
이들 목적은 각각 독립항의 특징을 포함하는 방법 및 분광 장치에 의해 상응하게 해결된다. 본 발명의 실시예 및 적용은 종속항으로부터 발생한다.
본 발명의 제 1 일반적인 관점에 따르면, 상기 목적은 샘플, 특히 생물학적 샘플의 편광 응답을 측정하는 방법에 의해 해결되며 다음 단계를 포함한다.
일련의 여기파(excitation waves)가 생성된다. 여기파 (종래의 FRS에서 프로브 광이라고 함)는 레이저 소스 장치를 사용하여 레이저 펄스의 트레인(train)으로서 생성되며, 각 여기파는 바람직하게는 적외선 스펙트럼 범위에서 중심 파장을 갖는 주요 시간적 형태 및 스펙트럼 함량(content)을 갖는다. 바람직하게는, 반 강도 최대(half-intensity-maximum)에서 전폭(full-width)을 가지는 여기파의 펄스 지속 시간(pulse duration)은 1 ps 이하, 특히 300 fs 이하이다. 조사될 샘플이 기상 단계(gas phase)에 있고, 수십 ps 범위의 날카로운 진동 대역 및 FID를 갖는 경우, 1ps 이하 또는 500fs 이상의 펄스 지속 시간을 갖는 협대역 여기파가 제공될 수 있다. 그렇지 않으면, 넓은 진동 대역 및 1ps 이하의 FID를 갖는 액체상의 샘플로, 300 fs 이하의 펄스 지속 시간을 갖는 광대역 여기파가 제공될 수있다.
조사될 샘플에는 여기파가 조사되어 샘플과 여기파의 상호 작용을 포함할 수 있으므로, 샘플의 순간 분극 응답의 중첩을 각각 포함하는 일련의 샘플파(종래의 FRS에서 수정된 프로브 라이트라고 함)가 생성된다. 샘플은 샘플 메인 펄스 및 여기파에 대한 샘플의 비 순시 분극 응답에서 발생하는 (보통 훨씬 약한) 트레일링 부분이라고 한다. 또한, 여기파는 자유 유도 감쇠, 간단히 FID 신호, 또는 특히 생물학적 샘플의 경우, 샘플 글로벌 분자 지문(GMF) 파(EGMF(sample)(t)), 간단히 GMF 파 또는 GMF 신호로를 말한다. 샘플파의 수정된 시간적 형상 및 스펙트럼은 샘플의 편광 응답에 의해 결정되는 특징에 의한 여기파의 주요한 시간 형상 및 스펙트럼과 각각 다르다. 조사중인 샘플은 특히 생물학적 기원의 고체, 액체 또는 기체 상태의 샘플이다.
또한, 기준 샘플(또는 대조 샘플)이 제공되는데, 이는 GMF 측면에서 조사할 샘플과 비교되며 특히 생물학적 및/또는 합성 특성(synthetic nature)을 갖는 또 다른 샘플(고체, 액체 또는 기체 상태)이다. 기준 샘플은 특정 관심 분자를 포함하지 않는 샘플 또는 다른 농도의 관심 분자를 포함하는 다른 샘플(예를 들어, 조사중인 샘플과 같은 동일한 소스로부터의 더 오래된 샘플)을 포함해도 좋다. 합성 기준 샘플은, 잘 알려진 재현성이 높은 분자 조성을 갖는 기준 샘플이므로, 특히 샘플 조사에서 관심이 없는 분자를 포함할 수도 있다. 기준 샘플은 일련의 여기파로 조사되어 여기파와 기준 샘플의 상호 작용을 포함할 수 있으므로. 기준 메인 펄스와 기준 GMF 파((EGMF(ref)(t))의 중첩을 각각 포함하는 일련의 기준파가 생성된다.
본 발명에 따르면, 샘플파와 기준파의 차이는 공간 및/또는 시간에서 샘플파와 기준파 모두에 공통인 GMF 파 기여로부터 광학적으로 분리된다. 따라서, 적어도 하나의 광학 조정 장치는 조사중인 샘플에 국한되지 않는 GMF 파 기여로부터 공간적 및/또는 시간적으로 샘플을 조사하기 위해 검출될 수 있는 샘플파와 기준파의 차이를 분리하도록 마련된다.
샘플파와 기준파의 차이가 검출되고, 샘플파 및 기준 GMF 파의 차이를 포함하는 dMF(differential molecule fingerprint)파(ΔEGMF(t))의 시간 진폭 함수가 결정된다. 검출은 바람직하게는 전기 광학 샘플링(EOS: electro-optic sampling) 또는 대안적으로 광도 전성 샘플링(PCS: photo-conductive sampling)을 포함한다. dMF 파는 직접 검출(샘플링)에 의해 또는 검출된 샘플파 및 기준파에 근거하여 산출함으로써 결정된다. 이는 샘플의 분극 응답(WO 2016/102056에서 "스펙트럼 응답"이라고 함)을 나타낸다. 특정 유형의 분극 응답은 여기파의 설계에 따라 달라지며, 이는 예를 들어 IR 흡수 또는 SRS 측정에 적합할 수 있다.
본 발명에 따르면, 광학적으로 분리하는 단계에 대해, 샘플파와 기준파는 검출 단계 전에 공간적으로 및/또는 시간적으로 서로 분리된다. 샘플파 및 기준파를 분리하는 것은 서로에 대해 샘플파 및 기준파의 목표 조정, 특히 샘플파 및 기준파의 공간적 및/또는 시간적 중첩의 감소를 포함한다. 공간 및/또는 시간 영역(domain)에서 샘플파 및 기준파의 중첩을 최소화하거나 심지어 배제하는 것이 바람직하다. 다시 말해, 샘플파 및 기준파를 분리하는 것은 공간 및/또는 시간 영역에서의 중첩을 부분적으로 또는 심지어 완전히 감소시키는 것을 포함한다.
샘플파 및 기준파의 분리에 따라, 임의의 다른 참여파(participating waves)로부터 dMF 파의 공간적 및/또는 시간적 분리(이를 테면, 샘플과 기준 GMF에 해당하는 전기장의 차이)는 공간 및/또는 시간에서 최대화된다. 이것은 참여파(여기파, 기준파 및 샘플파)를 공간 및/또는 시간에서 서로에 대해 적절히 조정함으로써 달성된다. 이러한 방식으로, 본 발명은 유리하게는 FRS의 무 배경(background-free) 검출을 이용하여 차분 신호)(difference signal)(ΔEGMF(t))를 측정하는데, 이는 개선된 감도로 기준 샘플 및 조사중인 샘플의 분자 조성의 차이를 직접 반영한다.
이하에서 항상 강조되는 것은 아니지만, 여기파는 바람직하게는 1 kHz 초과, 특히 바람직하게는 1 MHz 초과의 반복 속도로 생성된 일련의 레이저 펄스를 포함한다는 점에 주목한다. 따라서, 샘플파 및 기준파는 레이저 펄스의 시퀀스(sequence이기도 하다. 여기파, 기준파 및 샘플파라는 용어는 기준 샘플 및 조사중인 샘플을 조사하는데 사용되거나 기준 샘플 및 조사중인 샘플의 스펙트럼 응답에 의해 제공되는 대응 파형의 시퀀스를 각각 말한다.
본 발명의 제 2 일반적인 관점에 따르면, 장치 특징에 관하여, 상기 목적은 샘플, 특히 생물학적 샘플의 편광 응답을 측정하기 위한 분광 장치에 의해 해결된다. 이 분광 장치는 레이저 소스 장치(laser source device), 광학 조정 장치(an optical adjustment device), 검출기 장치(optical adjustment device) 및 선택적으로 산출 장치(calculation device)로 이루어져 있다. 바람직하게는, 분광 장치는 본 발명의 제 1 일반적인 관점에 따른 샘플의 편광 응답을 측정하는 상기 방법을 실시하기에 적합하다. 레이저 소스 장치는 일련의 여기파를 생성하고, 여기파와 샘플의 상호 작용을 포함하여 일련의 여기파로 샘플을 조사하여, 샘플 메인 펄스와 샘플 글로벌 분자 핑거 프린트(GMF) 파((EGMF(sample)(t))의 중첩을 포함하는 일련의 샘플파를 각각 생성하고, 여기파와 기준 샘플의 상호 작용을 포함하여 일련의 여기파로 상기 기준 샘플에 조사하여, 기준 메인 펄스와 기준 GMF 파((EGMF(ref)(t))의 중첩을 포함하는 일련의 기준파를 생성하도록 구성된다. 광학 조정 장치는 공간 및/또는 시간에서 샘플파와 기준파 모두에 공통인 GMF 파 기여로부터 샘플파와 기준파의 차이를 광학적으로 분리한다. 검출 장치는 샘플파와 기준파의 차이를 검출하고 각각 샘플과 기준 GMF 파의 차이를 포함하는 dMF(differential molecular fingerprint) 파((ΔEGMF)(4))의 시간 진폭을 결정한다.
본 발명에 따르면, 샘플파 및 기준파 모두에 공통인 파동 기여로부터 샘플파 및 기준파의 차이를 공간적으로 및/또는 시간적으로 분리하기 위한 광학 조정 장치는 분광 장치에 포함된 조정 장치이다. "분리", "조정"또는 "조정"이라는 용어는 샘플파의 메인 펄스 뒤에 가능한 한 시간 내에 위치하며 기준 샘플과 조사중인 샘플 사이의 분자 조성의 차이에 대한 유용한 정보를 갖는 임의의 목표(target) 조작 특히, 차분 GMF(ΔEGMF(t))와 같은 여기파(및 선택적으로 기준파)의 목표 파형 형성을 말한다. 광학 조정 장치는 투과 또는 반사 구성 요소 및/또는 증폭 구성 요소와 같은 수동 및/또는 능동 광학 구성 요소를 포함하여 여기파 및/또는 샘플파의 파형을 형성한다. 본 발명자는 여기파에 의해 생성된 배경이 실질적으로 억제될 수 있거나 차분 GMF를 검출하는 감도가 본 발명의 분리 단계 또는 조정 장치에 의해 실질적으로 증가될 수 있어, FRS 검출의 감도를 향상시킬 수 있음을 확인하였다.
dMF 파는 획득될 특성 편광 응답으로서 출력될 수 있다. 선택적으로, 산출 장치는 검출된 샘플파 및 기준파에 기초하여 dMF 파를 산출하거나 및/또는 감지된 dMF 파를 분석하기 위해 마련될 수 있으며 예를 들어 dMF 파의 시간 진폭 함수의 푸리에 변환에 기초하여 샘플의 편광 응답을 제공하는데 마련될 수도 있다. 조사중인 샘플 및/또는 기준 샘플로 결정된 dMF 파에 기초하여 샘플 조성물의 변화를 분석하기 위해 마련될 수 있다.
본 발명의 바람직한 적용에 따르면, 조사중인 샘플은 인간 또는 동물 유기체로부터의 생물학적 샘플을 포함한다. 제어(기준) 샘플에 대한 샘플의 스펙트럼 응답 및/또는 GMF의 차이는 유기체에 대한 진단 관련 정보를 얻기 위해 측정된다. 용어 "진단 관련 정보"는 샘플, 특히 샘플 조성, 기준 샘플과 비교한 차이 또는 샘플의 시간적 변화에 관한 임의의 정보를 의미하는 것으로, 의학적 진단을 제공하거나 확인하는데 사용될 수 있다. 특히, 본 발명은 전례없는 감도를 가진 "대조군"이라고 하는 기준(또는 동일한 유기체로부터의 기준 세포)과 정밀하게 조사된 샘플(또는 세포)을 직접 비교함으로써. 단일 측정에서 표준 생리학적 편차를 표시하거나 다른 세포 유형을 식별할 수 있는 분자 조성의 변화를 검출하는 것을 목표로 한다.
따라서, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 측정 방법은 진단 관련 정보를 얻기 위해 샘플의 스펙트럼 응답을 평가하는 단계를 포함해도 좋다. 장치 특징과 관련하여, 분광 장치의 바람직한 실시예는 스펙트럼 응답을 처리하고 진단 관련 정보를 제공하는데 적합한 산출 장치를 포함한다. 유리하게는, 진단 관련 정보는 본 발명의 기술을 이용하는 사용자, 예를 들어 의사에게 출력될 수 있다. 이어서, 사용자는 진단 관련 정보를 고려하여 진단을 제공할 수 있다. WO 2016/102056 A1에 개시된 바와 같이 스펙트럼 응답 평가가 구현될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 지문의 차이, 즉, 고-존재량 및 저-존재량 분자의 작은 수에 의해서만 차이가 나는 샘플의 상이한 dMF 파가 감지된다. 이는 간단한 공식으로 표현할 수 있다. EGMF(sample)(t)가 샘플 GMF 신호이고 EGMF(ref)(t)가 기준 GMF 신호이면 다음 dMF 신호가 가능한 최고 감도로 감지된다.
ΔEGMF(t) = EGMF(sample)(t) ― EGMF(ref)(t)
본 발명의 제 1 변형 (본 발명의 제 1 실시예, 실시예 (I))에 따르면, 샘플과 기준 샘플을 여기 펄스(공진 IR 흡수) 또는 펄스(SRS)의 동일한 복제물(identical replica)과 동시에 노출시켜 샘플과 기준을 통해 전송된 광대역 여기 펄스와 GMF 파를 180도 위상 변이하여 간섭적으로 결합함으로써 샘플파와 기준파 모두에 공통인 파 기여로부터 샘플파와 기준파의 차이의 공간적 분리가 달성되므로, 2 개의 여기 펄스가 서로를 상쇄시켜 각각의 GMF 파가 상기 차이를 산출하도록 간섭적으로 결합한다. 기준파 및 샘플파의 간섭 상쇄는 바람직하게는 0 이하로 dMF 파의 검출과 동등하다. 따라서, 본 발명의 제 1 실시예는 dMF(differential molecular fingerprinting) 또는 dMF 실시예라고도 한다.
이 간섭 조합으로 인한 신호로부터 여기 필드를 제거함으로써 약한 차동 GMF 파(ΔEGMF(t))가 분광 장치의 검출 장치 바람직하게는 EOS 또는 PCS 검출기를 포함하는 검출 장치에 최적으로 집중될 수 있고, 이에 의해 WO 2016/2016에 개시된 FRS의 상기 논의된 한계 (i)를 제거할 수 있다. 차동 GMF 파(ΔEGMF(t))는 기준 샘플과 관련하여 조사중인 샘플의 차동 글로벌 분자 지문을 산출하며, 분자의 다른 유형 "i"에 의해 방출된 파들(waves) 사이의 차이로 구성되고, 그 강도는 조사중인 샘플에서 "i"유형의 분자 수와 기준 샘플의 차이를 나타내는 수 ΔNi와 함께 스케일된다.
ΔEGMF(t) = ΔE1(t) + ΔE2(t) + … + ΔEi(t) + ….
본 발명자들은 생물학적 샘플에서의 전형적인 분자 농도에 대해, ΔEi(t)∝ΔNi가 매우 우수한 근사치를 유지한다는 것을 발견하였다. 따라서,ΔEGMF(t)는 WO 2016/102056 A1에 개시된 바와 같이 FRS의 상기 논의된 한계 (ii)를 제거하여, 존재량에 관계없이 기준에 대한 농도 변화에 기초한 분자 정보를 함유한다. 마지막으로, 직접 참조로 인해, 공통인 여기 소스의 노이즈에 의해 모두 영향을 받는 EGMF(sample)(t) 및 EGMF(ref)(t)에 의해 캐리된 노이즈는 크게 상쇄되어, WO 2016/102056 A1에 개시된 FRS의 상기 논의된 제한 (iii)을 효율적으로 해결할 수 있다.
본 발명의 제 2 변형 예(본 발명의 제 2 실시예, 실시예(II))에 따르면, 샘플파와 기준파 모두에 공통인 파 기여로부터 샘플파와 기준파의 차이의 시간적 분리를 포함하고, 샘플 및 기준 샘플을 포함하는 빔 경로에서의 그룹 지연 분산은 기준파가 시간적으로 압축되도록, 바람직하게는 푸리에 변환 한계를 향해 단축되도록 설정된다. 기준파를 압축하기 때문에, dMF 신호는 주로 샘플 GMF 파에 의해 결정되므로, WO 2016/102056 A1에 개시된 FRS의 상기 제한 (i) 내지 (iii)이 제거될 수 있다.
본 발명의 제 3 변형 예(본 발명의 제 3 실시예, 실시예(III))에 따르면, 샘플파와 기준파 모두에 공통인 파 기여로부터 샘플파와 기준파의 차이의 시간적 분리를 포함하고, 샘플 및 기준 샘플 내의 여기파의 상호 작용 길이(l)는 l = 2/25α 내지 l = 10/α의 범위로 설정되며, 여기서 α는 기준 샘플의 흡수 계수이다. 유리하게는, 상호 작용 길이를 설정하면 샘플 GMF 파 및 dMF 파를 최대화 할 수 있다.
본 발명의 제 4 변형(본 발명 실시예(IV)의 제 4 실시예)에 따르면, dMF 신호 또는 샘플 GMF 신호는 검출 전에 광학 파라메트릭 증폭되어 FRS의 감도의 추가 증가를 야기한다.
본 발명의 상기 제 1 내지 제 4 실시예는 단독으로 또는 임의의 조합으로 구현될 수 있다. 따라서, 본 발명의 특히 바람직한 실시예에 따르면, 직접 간섭 참조(I)로부터 발생하는 dMF 신호(ΔEGMF(t))는 상호 작용 기하학(III)의 최적화와 결합된 신중한 분산 설정(II) 및 및 검출 전 및/또는 후의 광학 파라메트릭 증폭(IV)에 의해 더욱 향상 될 수 있다. 대안적으로, dMF 파는 간섭 참조(I) 없이, 분산 설정(II), 상호 작용 기하학(III) 및/또는 광학 파라메트릭 증폭(IV)의 최적화로 검출될 수 있다. WO 2016/102056 A1에 기술된 바와 같은 공진 적외선 여기(resonant infrared excitation)를 통한 이들 개념의 구현은 완전한 진동 지문 획득을 향한 적외선 및 라만 활성 진동 모드 모두에 액세스하기 위해 여기 메커니즘(SRS 실시예, 실시예(V))인 여기된 라만 산란으로 보완될 수 있다. .
FRS(Field-Resolved vibrational Spectroscopy)를 이용한 dMF(Differential Molecule Fingering)는 바람직하게는 상기 기술된 혁신으로 보완되며, 존재량에 관계없이 분자 성분의 농도 변화를 측정할 수 있으며, 정교한 특이성(전례없는 많은 성분의 상호 관련된 변화 측정 덕분에) 및 가장 높은 감도(위에 설명된 진보 덕분에)로 인한 질병 표시를 할 수 있다. 상기 제 1 내지 제 3실시예의 바람직한 특징이 다음에 요약된다
제 1 실시예의 바람직한 변형에 따르면, 기준파의 간섭 상쇄(interferometric cancellation)는 마하젠더 간섭계(Mach-Zehnder interferometer)를 사용하여 얻어진다. 여기파는 마하젠더 간섭계의 제 1 포트에 입력되고, 조사될 샘플은 마하젠더 간섭계의 제 1 간섭계 암(arm)에 배열되고, 기준 샘플은 마하젠더 간섭계의 제 2 간섭계 암에 배열되어, dMF 파는 마하젠더 간섭계의 제 1 출력 포트(차분 출력 포트)에 제공된다. 마하젠더 간섭계는 바람직하게는 변형된 프로브 광이 조사될 샘플 및 기준 샘플에서 투과 수집되도록 구성된다. 마하젠더 간섭계를 사용하면 간섭계 암을 정확하고 안정적으로 조정할 수 있다는 이점이 있으며, 기준 및 샘플파에 공통인 지문을 억제할 수 있다.
바람직하게는, 마하젠더 간섭계의 제 1 및 제 2 간섭계 암에서의 빔 전파 경로 길이는 여기파의 1/2 캐리어 파장(carrier wavelength), 이를 테면, 여기파의 중심 파장의 절반 내에서 동일하게 설정된다. 특히 바람직하게는, 빔 전파 경로 길이는 마하젠더 간섭계의 출력 포트 중 하나에서 시간 평균 전력을 최소화하는 제어 루프에 의해 동일하게 설정된다.
본 발명의 제 2 실시예에 따르면, 샘플파 및 기준파를 분리하는 단계는 기준파로부터 dMF 파의 시간적 분리를 생성하는 단계를 포함한다. 바람직하게는, 그룹 지연 분산을 설정하는 단계는 기준 메인 펄스를 단축시키고 샘플파 및 기준 GMF 파 모두에 공통적으로 포함되는 GMF 파 기여를 단축시키는 단계를 포함한다. 샘플파 및 기준 GMF 파 둘 모두에 공통적으로 포함되는 GMF 파 기여는 예를 들어, 용매(solvent) 등의 샘플 매트릭스와 같은 샘플 및 기준 샘플에 동등하게 포함된 분자 및/또는 특정 조사에 관심이 없는 분자 및/또는 샘플 및 기준 용기벽의 재료의 분극 응답을 포함한다. 바람직하게는, 색 분산 보상(chromatic dispersion compensation)과 조합된 액체 또는 기체 샘플용 샘플 용기는 다음에 요약된 바와 같이 제시된다. 제 2 실시예는 선형 및 비선형 분광법에 모두 적용된다.
바람직하게는, 여기파는 푸리에 변환 한계 펄스 지속 시간에 따라 생성되고, 여기파 및/또는 샘플 메인 펄스 및 기준 메인 펄스는 빔 경로를 따라 임의의 물질의 펄스 신장 효과(pulse stretching effect)를 감소시키는 분산 보상될 수 있다. 이는 샘플의 샘플 용기 및 기준 샘플의 기준 용기에 네거티브 또는 포지티브 분산을 갖는 용기 벽 재료를 제공하거나, 샘플과 기준 샘플 전 및/또는 후에 반사 요소에 의해 네거티브 또는 포지티브 분산을 적용함으로써 얻을 수 있다. 대안적으로, 여기파는 빔 경로를 따라 도입된 분산이 펄스 처프(chirp)를 보상하도록 펄스 처프와 함께 생성된다. 이 실시예에서, 샘플 용기 및 기준 용기에는 펄스 처프를 상쇄하는 분산액을 갖는 용기 벽 재료를 가지고, 분산액은 샘플 및 기준 샘플 전 및/또는 후에 반사 요소에 의해 적용되어, 펄스 처프가 상쇄된다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따르면, 샘플을 통한 프로브 광 투과를 최대화 하려면 샘플의 샘플 용기 및 기준 샘플의 기준 용기 상에 반사 방지 코팅을 마련하거나, 여기파 빔 경로에 대한 브루스터(Brewster) 각도 하에서 샘플 용기 및 기준 용기 또는 샘플을 배치함으로써 마련된다. 조정 요소는 반사 방지 코팅 및/또는 브루스터 각도를 설정하는 샘플 용기 지지부에 의해 제공된다. 이 경우, 본 발명의 조정 또는 성형 파형은 특히 샘플파의 진폭을 증가시키는 단계를 포함한다.
유리하게는, 샘플파 또는 dMF 파를 검출하는 증가된 감도는 SRS 측정 분야에서 FRS 기술의 새로운 응용을 제공한다. 따라서, 본 발명의 또 다른 바람직한 실시예(SRS 실시예)에 따르면, 샘플의 스펙트럼 응답에 대한 본 발명의 측정은 샘플에서 여기된 라만 산란(stimulated Raman scattering)의 전기장 검출을 포함한다. 일련의 동시 펌프 펄스(pump pulse) 및 스토크 펄스(stoke pulse)로 샘플을 동시에 조사(irradiation)한다. 펌프 펄스와 스토크 펄스 중 하나는 협대역 펄스이고 다른 하나는 광대역 펄스이다. 협대역 펄스는 샘플의 단일 진동 전이(transition)를 여기시키는데 적합하고, 광대역 펄스는 샘플의 복수의 진동 전이를 여기시키는데 적합하다. 여기파는 광대역 스토크 펄스(또는 광대역 펌프 펄스)에 의해 제공된다. 샘플파 및 기준파는 각각의 샘플 및 기준 샘플의 진동 라만 응답에 의해 강화된(enhanced) 스토크 펄스 또는 대안적으로 샘플 및 기준 샘플의 진동 라만 응답에 의해 감소된 펌프 펄스에 의해 제공된다. 샘플에서 여기된 라만 산란의 전기장 검출에 적합한 분광 장치와 관련하여, 레이저 소스 장치는 샘플을 일련의 펌프 펄스 및 스토크 펄스로 동시에 조사하도록 구성되며 검출 장치는 샘플의 진동 라만 응답에 의해 강화된 스토크 펄스(또는 샘플의 진동 라만 응답에 의해 감소된 펌프 펄스)를 검출하는데 적합하다.
요약하면, 예를 들면 일관성 있는 적은 사이클 펄스 소스에 의해 구동되는 본 발명의 FRS는 다음과 같은 뚜렷한 장점을 제공한다. 잘 압축된 펄스를 갖는 FRS는 검출 가능한 최소 분자 신호에 대한 제한으로서 여기 신호 검출의 잡음을 제거함으로써 주파수-영역 분광법에 대하여 검출 감도를 향상시킨다. FRS에 기반한 dMF 검출은는 여러 가지 방법으로 FRS의 탐지 감도를 향상시킬 수 있다.
● 감지할 수 있는 가장 작은 변화에 대한 제한으로 분자 신호의 기술적 노이즈를 제거. 이는 지배적인 여기 노이즈에 의해 야기되는 분자 신호의 어떤 변동이 샘플과 기준 암에 동등하게 나타나므로 양자 노이즈를 제외한 차동 출력에서 상쇄되기 때문이다.
● 마찬가지로 중요하게는, dMF는 또한 FRS 감도에 심각한 영향을 미칠 수 있는 결함(여기 펄스의 비 지수 롤오프(roll-off) 및 스퓨리어스 반사(spurious reflection)로 인한 위성 등)으로 인해 발생할 수 있는 여기 후 배경을 효율적으로 제거한다.
● dMF는 여기 펄스의 억제 후 차동 신호의 직접적인 광학적 증폭을 허용한다. 선택적으로 증폭된 차동 GMF 파는 FRS에서 존재하는 여기파에 비해 억제된 여기파를 갖는 훨씬 강한 EOS 검출 신호를 유도할 수 있다. 왜냐하면, 후자는 유용한 분자 신호의 매우 낮은 전계 강도에서 EOS 결정(crystal)의 광학 파괴(breakdown)를 일으키는 경향이 있기 때문이다. 미분 분자 신호의 충분히 강한 광학 증폭은 증폭에 의해 직접 얻어지는 감도 개선에 더하여 미분 분자 신호의 EOS 검출 감도를 향상시킬 수 있다. 이러한 개선은 (측정된 차분 GMF로부터 메인 펄스를 제거함으로 인해) 검출 전자 장치의 동적 범위에 대한 완화된 요구 사항과 결합하여 제공된다.
본 발명으로 구현된 글로벌 분자 핑거 프린팅은 예를 들면 단백질학 및 대사체학을 통해 표적화되지 않은 바이오 마킹 검색/스크린과 동일한 목표를 추구한다. 그러나, 접근 방식은 근본적으로 다르다. "omics" 방법론은 특정 병리(pathology)를 명확하게 나타낼 수 있는 농도 변화(또는 새로운 모양)의 분자 성분 세트를 식별하는 것을 목표로 한다. 대조적으로, FRS에 의해 얻어진 GMF의 변화는 아마도 다수의 존재하고 아마도 다수의 새로 출현한 분자의 소량(miniscule) 농도 변화의 적분 효과에 기인한다. 이들 분자 성분 중 다수(아마도 대부분)는 오믹스(omics) 기술에 의해 개별적으로 접할 수 없지만, 전계 분해 분광법의 우수한 동적 범위로 인해 분광 GMF에 상당한 기여를 할 수 있다. 저-존재량 분자의 농도 변화는 또한 매우 중요할 수 있으며, 예를 들어, 시토카인(cytokine)은 심지어 미세한 농도 변화가 광범위한 생리학적 효과를 초래하는 것으로 알려져 있다.
필드-분해 분광법에 의한 글로벌 분자 핑거프린팅의 개념은 적합하게 선택된 기준으로부터 복잡한 생체액 샘플(예 : 인간 혈액)의 GMF 편차에 직접 접근하므로써, 측정에 의해 직접 전달되는 관찰 수치내에서 임상 분류기(clinical classifier)를 검색할 수 있다. 하나의 동일한 측정에서 두 개의 다른 샘플의 글로벌 분자 지문을 직접 비교하는 것은 현재의 레이저 분광법에 의해서만 효율적으로 실행될 수 있는 조건인 근본적인 물리적 수치(observables) 사이에서 일관성에 의존한다. 전례없는 FRS의 동적 범위를 따르며 HPLC(high-pressure liquid chromatography)와 같은 omics 기술과 결합된 고유한 기능은 분자 핑커프린팅을 전례없는 감도 및 처리량으로 발전시켜 조기 감지를 향한 새로운 길을 열 수 있다
도 1은 본 발명의 제 1 실시예(dMF 구체 예)에 따른 분광 장치의 개략도이다.
도 2 및 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 기준 및 샘플파 모두에 공통인 핑거프린트로부터 차분 GMF를 시간적으로 분리하는 개략도이다.
도 4는 메인 펄스 및 GMF의 시간적 분리에 따른 개략적인 그래픽이다.
도 5는 메인 펄스를 단축시키기 위한 분산 보상의 개략적인 그래픽이다.
도 6 및 7은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 파라메트릭 광학 증폭기를 사용하여 샘플파를 증폭하는 개략도이다.
도 8은 본 발명의 제 1 실시예 내지 제 3 실시예를 결합한 분광 장치의 개략도이다.
도 9 및 10은 본 발명의 SRS 실시예에 따른 분광 장치의 개략도이다.
도 11 및 12는 종래의 FRS 기술을 나타내는 개략도이다.
도 2 및 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 기준 및 샘플파 모두에 공통인 핑거프린트로부터 차분 GMF를 시간적으로 분리하는 개략도이다.
도 4는 메인 펄스 및 GMF의 시간적 분리에 따른 개략적인 그래픽이다.
도 5는 메인 펄스를 단축시키기 위한 분산 보상의 개략적인 그래픽이다.
도 6 및 7은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 파라메트릭 광학 증폭기를 사용하여 샘플파를 증폭하는 개략도이다.
도 8은 본 발명의 제 1 실시예 내지 제 3 실시예를 결합한 분광 장치의 개략도이다.
도 9 및 10은 본 발명의 SRS 실시예에 따른 분광 장치의 개략도이다.
도 11 및 12는 종래의 FRS 기술을 나타내는 개략도이다.
본 발명의 바람직한 실시예의 특징은 흡수 또는 SRS 측정(V), 기준파의 분산 보상(II), 상호 작용 기하학 구조의 최적화(III) 및/또는 차동 지문의 광학 증폭(IV) 등의 간섭 참조(I)를 포함하는 미분 분자 핑거 프린팅(differential molecular fingerprinting)과 관련하여 이하에서 설명된다. 특징 (I) 내지 (IV)는 차동 GMF의 기여가 기준파 및 샘플파 모두에 공통인 지문으로부터 공간 및/또는 시간에서 분리되도록 서로에 대해 참여파(participating waves)를 조정하는 본 발명의 수단을 구현한다. 예를 들어, (I)는 간섭 수단에 의해 여기파 및 기준파로부터 차동 GMF의 공간적 분리를 제공하는 반면, (II)는 차동 GMF의 시간적 분리를 소개한다. 특징 (I) 내지 (IV)는 단독으로 또는 임의의 조합으로 제공될 수 있다. 예를 들어, 특징 (II) 및/또는 (III)은 도 9의 여기된 라만 측정을 포함하는 (I)의 특수한 경우에, 도 1에 도시된 바와 같은 차동 분자 핑거 프린팅(I)의 구성에서 제공될 수 있다. 다른 예로서, 광학 증폭이 필요하지 않은 경우, 예를 들어 (IV)의 특징은 예를 들어, (I) 차동 분자 핑거 프린팅의 구성(도 1)에서 생략될 수 있다. 또한, (I) 내지 (IV)의 특징에는 액체 또는 고체 물질 또는 기체 샘플이 제공될 수 있다.
dMF(differential molecular fingerprinting)는 분자 성분의 농도 변화, 즉 질병 표시에 대한 직접적인 관련성의 양을 가능한 가장 높은 감도로 직접 측정한다. 이것은 다음과 같은 장점을 지지한다.
(a) 별도의 측정으로부터 추론 가능한 가장 작은 변화를 제한하는 EGMF(t)의 노이즈는 직접 코히어런트(coherent) 참조시에 상쇄(양자 노이즈 제외)될 수 있다((I) 참조).
(b) EGMF(t)는 (i) Ein(t)의 광대역 코히어런트 제어((II) 참조) 및 (ii) 상호 작용 기하학의 최적화(아래 참조)에 의해 모든 참여파의 대부분의 메인 펄스 부분과 효율적으로 분리될 수 있다.
(c) 차동 지문, ΔEGMF(t)는 전기 광학 샘플링((IV) 참조)에 의해 감지되기 전에 차수(several orders of magnitude)만큼 파라메트릭 방식으로 증폭될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예는 fs 레이저 소스 장치의 특정 예 및 전기 광학 샘플링(EOS)의 적용을 예시적으로 참조하여 이하에 설명된다. 본 발명은 설명된 실시예들로 제한되지 않는다는 것을 강조한다. 특히, 레이저 소스 장치는 본 설명에서 특정된 바와 같이 프로브 광 펄스를 제공하도록 변경될 수 있다. 예로서, ps 레이저 소스 장치가 특히 기체 샘플에 사용될 수 있다. 또한, EOS 방법은 광 전도성 안테나 또는 FTIR 분광법을 이용한 전계 샘플링(electric fied sampling) 등의 다른 분광 기술로 대체될 수 있다. 진단적으로 관련된 정보를 제공하기 위한 본 발명의 바람직한 적용을 예시적으로 참조한다. 본 발명은 생물학적 샘플의 조사에 제한되지 않고, 환경 샘플 등의 다른 샘플로 구현될 수 있다는 것이 강조된다.
(I) 코히어런트 간섭 참조를 이용한 dMF(Differential molecular fingerprinting)
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 분광 장치(100)의 특징을 도시하며, 이는 샘플파와 기준파 모두에 공통인 파 기여로부터 특히, 여기파와 기준파로부터 dMF 파를 간섭 분리하는데 적합하다. 분광 장치(100)는 도 12의 종래의 구성과 유사하게 이루어져 있다. 따라서, 특히 레이저 소스 장치 및 검출기 장치, 특히 전기 광학 검출 원리와 관련한 종래의 분광 장치의 특징은, WO 2016/102056 A1에 개시된 바와 같이 구현될 수 있으며, 이는 본 명세서에 참조로서 도입된다.
도 1의 분광 장치(100)는 일련의 초기 구동 펄스를 생성하기 위한 가시 또는 NIR(Near-Infrared) 펨토초 소스(11), 구동 펄스에 기초하여 MIR 펄스 시퀀스를 생성하기 위한 MIR(MIR-lnfrared) 펨토초 소스(13)(예를 들어, LiGaS2 결정) 및 MIR과 구동 펄스의 상호 조정을 위한 동기화 및 지연 유닛(12)(예를 들어, MIR 펄스가 가시 또는 NIR 소스(11)로부터 생성되는 경우 지연 단계 또는 NIR 및 MIR 소스의 반복 속도의 동기화 및 조정)을 포함하는 레이저 소스 장치로 구성된다.. 조사중인 샘플(1) 및 기준 샘플(1A)와의 상호 작용을 위한 구동 펄스에 의해 제공되는 여기파(2)는 MIR 펨토초 소스(13)으로부터 출력된다.
여기파(2) 펄스는 마하젠더 간섭계(Mach-Zehnder interferometer)(40)의 제 1 입력 포트(41)를 마하젠더 간섭계의 제 1 간섭계 암(42) 및 제 2 간섭계 암(43)으로 제공하는 50:50 MIR 빔 스플리터(14)로 분할된다. 광학 조정 장치를 제공하는 마하젠더 간섭계(40)의 기능이 이하 설명된다. 제 1 간섭계 암(42)에서, 물에 포함된 생물학적 샘플 분자 등을 포함하는 샘플 용기(51)를 갖는 샘플(1)이 제공된다.
기준 샘플(1A)은 제 2 간섭계 암(43)에서 동일한 기준 용기(51A)에 포함된다. 바람직하게는, 샘플 용기 및 기준 용기(51, 51A)는 전체 (중간) 적외선 영역 (2μm 내지 30μm)에서 낮은 투과 손실에 적합하다. 이를 위해, 샘플 용기(51, 51A)의 표면에는 MIR 투과율을 증가시키는 반사 방지 코팅이 제공되어 있다. 또한, 샘플 용기(51, 51A)는 간섭계 암(42, 43)을 따라 빔 경로에 대해 브루스터 각도로 배열될 수 있다.
또한, 제 2 간섭계 암(43)에는 두 간섭계 암(42, 43)의 길이를 상호 조정하기 위한 개략적으로 도시된 지연 유닛(15)이 배치된다. 지연 유닛(15)은 제어 루프 (도시되지 않음)로 제어될 수 있어, 마하젠더 간섭계(40)의 2 개의 간섭계 암의 기하학적 길이 차이가 최소화된다. 간섭계 조정은 하나 이상의 압전 변환기(PZT)로 실시될 수 있다.
여기파(2)와 조사중인 샘플(1) 및 기준 샘플 (1A)의 상호 작용에 의해, 샘플파(3)는 제 1 간섭계 암(42)에서 생성되고 기준파 (3A)는 제 2 간섭계 암 (43)에서 생성된다. 50:50 MIR 빔 스플리터/컴바이너(splitter/combiner)(16)에서 샘플파 및 기준파(3, 3A)의 코히어런트 중첩에 의해, dMF 파(4)는 차분 출력 포트(difference output port)(44)(제 1 출력 포트)에서 생성되고, 기준파 및 샘플파 모두에 공통인 지문의 구조적인 코히어런트 중첩은 합 출력 포트(sum output port)(45)(제 2 출력 포트)에서 생성된다. 빔 스플리터/컴바이너(16)에 의해, dMF 파(4)는 검출기 장치(20)의 제 1 검출기 채널(21)로 보내지고 샘플파(3) 및 기준파 (3A)의 중첩은 검출기 장치의 제 2 검출기 채널(22)로 보내진다. OPA (optical parametric amplification) 등에 의한 dMF 파(4)의 광학 증폭 및 증폭된 dMF 파 (4')를 생성하기 위한 광학 파라메트릭 증폭 장치(optical parametric amplification device)(60)가 제 1 검출기 채널(21)에 배치된다. 광학 파라메트릭 증폭 장치(60)의 추가 상세한 설명 및 그 기능은 도 6 및 도 7을 참조하여 하기에 기술된다.
검출기 장치(20)는 검출기 채널(21, 22) 중 하나에 각각 전기 광학 샘플링 유닛(electro-optic sampling units)(23, 24)을 포함한다. 펨토초 소스(11)에 의해 생성된 구동 펄스의 일부는 MIR-NIR 빔 결합기(17) 및 NIR 빔 스플리터(18)를 통해 샘플링 펄스(5)로서 전기 광학 샘플링 유닛(23, 24)으로 각각 보내진다. 제 1 및 제 2 전기 광학 샘플링 유닛(23, 24)은 증폭된 dMF 파(4A) 및 합 신호(3/3A)의 시간적 진폭 함수를 각각 검출한다.
산출 장치(30)는 제 1 검출 채널(21)에서 검출된 증폭 dMF 파(4A)의 시간적 진폭 함수의 푸리에 변환(Fourier transformation)에 기초하여 조사중인 샘플의 스펙트럼 응답을 계산하는 컴퓨터 회로를 포함한다. 검출기 채널(22)은 모니터링 또는 제어 목적 등을 위한 본 발명의 선택적 특징이다.
실제로, 분광 장치(100)는 흥미있는 임의의 가스 또는 액체를 측정하도록 구성된다. 또한, 적용된 재료는 가스, 가스 전지용 샘플 용기에 대해 진공 호환 가능하며, 단단하고 견고(액체용 샘플 용기에 고압을 가할 때 구부리지 않아야 함)하며 및/또는 물, 산 및 용매 대하여 불용성 재료이다.
본 발명의 대안적인 실시예에 따르면, 분광 장치(100)는 도 9 및 10을 참조하여 하기 설명된 바와 같이 샘플의 여기된 라만 산란에 근거한 SRS 측정에 적합할 수 있다.
이하에서, 도 1의 분광 장치(100)로 샘플 응답을 측정하는 것이 기술된다. 상술한 바와 같이, WO 2016/102056 A1에 기재된 바와 같은 전계 분해 분광법(field resolved spectroscopy)의 기초가 되는 공정의 코히어런트 특성으로부터 차분 분자 지문을 측정하는 것이 (i) 여기파에서의 전계 진동의 시공간적 코히어런스(coherence), (ii) 공간적 및 시간적으로 코히어런트 여기파에 의해 동기화된(코히어런트) 방식으로 전체 샘플 부피에서 분자 진동을 여기, (iii) 진동의 완벽한 동기화 덕분에 여기된 분자에 의한 코히어런트 방사선(샘플파(3), 도 11 참조)을 재방출한다는 점에서 유리하다.
(i)-(iii)의 직접적인 결과로서, 샘플파(3)의 전계 진동(electric field oscillations)은 여기파(2)의 전계 진동에 완벽하게 위상 고정된다. 이 코히어런스의 결과로, 하나의 동일한 여기파(2)((Ein(t))의 두 복제물에 의해 여기되며, 샘플(EGMF(sample)(t)) 및 기준(EGMF(ref)(t))에서 나오는 샘플파(3) 및 기준파(3A)는 동시에 서로 직접 비교 될 수 있다. 다시 말해서, 관심있는 샘플인 EGMF(sample)(t)의 GMF는 기준 지문인 EGMF(ref)(t)의 GMF를 직접 참조할 수 있으며, 단일 측정으로부터 직접적으로 차분 분자 지문(ΔEGMF(t))을 산출할 수 있다.
전계 분해 적외선 흡수 분광법에 의한이 기본 개념의 바람직한 구현은 도 1의 구성으로 행해지는 다음 단계로 이루어진다.
1) 50/50 빔 스플리터(14)로 펨토초 중간 적외선(MIR) 펄스(도 1의 MIR 펨토초 변환 유닛(13)에 의해 생성됨)를 2 개의 동등한 부분으로 분리한다(분할 후 두 빔 중 하나에서 추가 가변 감쇠기(variable attenuator)로 정확한 밸런싱을 달성 할 수 있음).
2) 기준 샘플(1A)을 통해 MIR 여기 펄스(여기파(2)) 중 하나를 보낸다. 조사중인 샘플(1)을 통해 다른 동일한 MIR 펄스를 보낸다.
3) 입력 및 출력 빔 스플리터를 모두 통과 할 때 빔 스플리터에 의해 부과된 파형의 가능성 있는 약간의 잔류 변화가 상쇄되도록, 2 개의 전송된 MIR 펄스를 측정 전에 빔의 분할에 사용된 것과 동일한 빔 스플리터(16)로 재결합한다. l) 내지 3)에 기술된 구성은 마하젠더 간섭계(40)를 형성하는데, 이 두 개의 동일한 암(arm)(42, 43)은 샘플(1)과 기준 샘플(1A)을 포함한다(둘 다 가능한 한 동일 형상으로 배열됨). 결과적으로, 샘플(1)/기준 샘플(1A) 및 샘플 용기(51, 51A) 둘 다의 분산 및 감쇠는 분자 조성의 차이로 인한 EGMF(t)의 변화를 제외하고는 동일하다.
4) 2 개의 간섭계 암(42, 43)에서의 빔 전파 경로 길이는 바람직하게는 여기파(2)(MIR 펄스)의 1/2 캐리어(carrier) 파장 내에서 동일하게 설정된다. +/- 반(half) 파장 내에서 경로 길이 차이를 미세 조정함으로써, 간섭계(40)의 출력 빔 스플리터(16)에 입사하는 2 개의 펄스는 분자 조성에 따른 샘플과 기준 간의 EGMF(t)의 차이에 기인한 GMF 파의 차이를 제외하고는 거의 완벽하게 서로 상쇄될 수있다.
5) 경로 길이 차이가 최소화되도록 설정하면, 샘플을 통해 전송 및 방출되는 총 방사 에너지(total radiation energy)의 약 99.9999 %를 캐리하는 여기 펄스를 거의 완벽하게 상호 상쇄할 수 있다. 나머지는 약. 에너지의 0.0001 %가 각각 dMF 신호(4)에 전달된다. 샘플(1)과 기준 샘플(1A)의 분자 조성이 동일하다면, 샘플파(3)와 기준파(3A)는 동일하여 서로 완벽하게 상쇄된다. 샘플(1)과 기준 샘플(1A)의 분자 조성이 서로 다르면, 샘플파(3)와 기준파(3A)는 완벽하게 상쇄되지 않고 직접 ΔEGMF(t)를 산출하는 차(difference)를 야기한다.
6) 전기 광학 샘플링 장치(23)로 증폭된 ΔEGMF(t) 신호(4A)의 전기장을 샘플링한다. 이것은 도 12의 개별 생체 의학 샘플의 종래 특성 분석에 사용된 것과 동일한 EOS 시스템으로 구현할 수 있다. 메인 펄스없이 나오는 차분 분자 신호는 두 가지 중요한 이점을 제공한다. 먼저, EOS 결정은 분자 신호의 훨씬 더 높은 전기장으로 조사될 수 있는데, 훨씬 더 강한 여기파는 종래 방식에서 결정(crystal)을 돌이킬 수 없을 정도로 손상시킬 수 있다.(도 12). 이는 차동 신호 증폭으로부터 얻은 것 외에 감도 증가를 직접적으로 초래한다. 둘째, EOS 신호를 처리하는 디지털 전자 시스템의 동적 범위에 대한 요구가 크게 완화되었다. 이 시스템은 훨씬 더 강한 수반되는 신호를 처리하지 않고도 관련 분자 신호를 검출하는데 최적화 될 수 있다.
7) 샘플링된 시간적 형상의 푸리에 변환은 샘플(1)의 스펙트럼 편광 응답( spectral polarization response)을 생성한다. 이것은 진단 관련 정보 등을 얻기 위해 산출 장치(30)에 의해 추가로 처리될 수 있다. 편광 스펙트럼의 스펙트럼 특징은 편광 스펙트럼을 필터링 처리함으로써 얻을 수 있다. 사람의 건강 상태를 특징으로 하는 특정 화합물 밴드가 식별될 수 있다. 또한, 편광 스펙트럼은 동일한 유기체로 이전에 수집된 데이터 및/또는 다른 건강하거나 건강하지 않은 다른 대상체와 함께 수집된 참조 데이터와 비교될 수 있다.
(II) 기준파의 분산 보상
위에서 언급한 바와 같이, GMF 신호가 메인 펄스로부터 효율적으로 분리되면 (기준 및 샘플파 모두에 대해 유지됨), GMF 측정의 감도가 증가될 수 있다. 이는 본 명세서의 시작 부분에 기술된 다른 분광 기술과 비교하여 WO 2016/102056 A1의 전계-분해 분광법에 전형적인 무 배경 검출 때문이다. 기준 및 샘플파에 공통인 지문이 가능한 가장 짧은 시간 윈도우(time window)에 한정되면, 이에 따라 참여파의 색 분산(chromatic dispersion)을 조정함으로써 차분 GMF에 대한 이러한 이점의 확장이 얻어질 수 있다. 이 경우, 차분 GMF는 각각의 파의 끝에서 주로 샘플파 (및 dMF 실시예의 경우 dMF 신호)에 나타나며, 기준 및 샘플파에 공통인 지문으로부터의 분리를 최대화 할 수 있다.
본 발명의 제 2 실시예에 따르면, 참여파의 조정은 레이저 소스 장치(10)로부터 검출기 장치(20)로의 빔 경로에서 색 분산을 설정함으로써 샘플파 내의 기준 GMF로부터 차분 GMF의 시간적 분리를 포함한다. 기준 GMF 파로부터 dMF 파의 시간적 분리는 도 1의 실시예, 도 9의 SRS 측정 또는 도 11의 종래의 필드 분해 분광법 등으로 제공될 수있다.
샘플파 내의 기준 GMF로부터의 차분 GMF의 시간적 분리는 바람직하게는 도 2A 내지 2C에 개략적으로 도시된 바와 같이 얻어지고, 도 3A 내지 3F에 추가로 예시된다.
도 2A 내지도 2C는 도 1의 간섭계 구성이 없는 본 발명의 제 2 실시예를 도시한다. 도면은 레이저 소스 장치(10) 및 검출기 장치(20)를 포함하는 본 발명의 분광 장치(100)의 변형 예를 나타내며, 여기에는 샘플 또는 기준 샘플이 배치되는 여기파(2)의 단 하나의 단일 빔 경로만이 제공되며, 그 경로에서 샘플파와 기준파(3A)의 차이가 샘플파 및 기준파의 직렬 측정 및 그 차이의 후속 계산에 의해 검출된다. 도 2A 내지 2C는 기준 샘플(1A)이 빔 경로에 배치되는 상황을 도시한다. 레이저 소스 장치(10)는 상술한 바와 같이 구성 요소(11, 12 및 13)를 포함한다. 검출기 장치(20)는 NIR 펨토초 소스(11)로부터의 샘플링 펄스(5)를 사용하여 샘플 또는 기준파의 전기-광학 샘플링에 적합하다.
도 2A는 샘플(1) 뒤에 배치된 분산 조정 엘리먼트(element)(53)(광학 조정 장치)의 제공을 도시한다. MIR 펨토초 소스(13)로, 여기파(2)를 푸리에 한계까지 압축하여 생성한다. 기준 샘플(1A), 특히 기준 용기(51A)의 벽 재료 및 기준 용기(51A)에 포함된 기준 샘플 물질에 의해, 기준 메인 펄스 및 기준파가 신장된다. 분산 조정 엘리먼트(53)의 효과에 의해, 기준파(3A)는 시간 내에 다시 잘 압축된다. 따라서, 샘플과 기준파의 차이로부터 dMF 파를 감지하는 감도가 증가된다.
도 2B는 기준 샘플(1A) 이전에 분산 조정 요소(53)를 제공하는 대안적인 경우를 도시하고, 도 2C는 기준 샘플 대신 빔 경로에서 샘플(1)과 동일한 변형을 도시한다. 또 다시, 기준파는 분산 조정 요소(53)의 효과에 의해 시간 내에 잘 압축된다. 결과적으로, 기준 펄스로 조정된 시간 압축은 샘플파(3)의 후에 나타나는 dMF 신호(4)로 이어진다. 도 2A 및 도 2B의 변형은 샘플 또는 기준 샘플과의 상호 작용이 선형인 경우 동등하다는 점에 유의한다. SRS 측정의 경우에는 동일하지 않지만 SRS를 위해 두 가지를 모두 여전히 구현할 수 있다.
기준파의 최적화된 시간 압축을 위해, 능동적이고 프로그램 가능한 분산 조정 요소(53)가 사용될 수 있다. 예로는 음향 광학 프로그램 가능 분산 필터(또는 대즐러(Dazzler)) 및 공간 광 변조기가 포함된다.
도 3A에 따르면, 여기파(2)는 일반적으로 빔 경로를 따라 검출기 장치(20)를 향해 압축된다. 이는 도 3B에 개략적으로 도시된 바와 같이 샘플 용기(51)의 벽 재료에 의해 제공된 광학 조정 장치의 효과에 의해 행해질 수 있고, 선택적으로는, 기준 용기(51A) 앞(도 3C)에 또는 기준 용기(51A) 이후(도 3C)에 음 또는 양의 분산을 도입하는 반사 요소(52)의 효과와 조합하거나, 또는 전적으로 기준 용기(51A) 앞에(도 3E) 또는 기준 용기(51A) 이후(도 3F)에 음 또는 양의 분산을 도입하는 반사 요소(52)에 의해서만 제공될 수도 있다. 동일한 분산 설정 구성 요소는 샘플 용기(도시되지 않음)를 포함하는 빔 경로를 가진다.
기준파(3A)를 단축시키는 분리 효과는 도 4에 개략적으로 도시되어 있으며, 여기서 곡선(A)은 74 fs fwhm 대역폭 제한 여기파(2) 및 곡선(B 및 C)는 종래의 KCI 샘플 용기 벽 재료(각각 10mm 및 100mm)에서 펄스 확장을 나타낸다. 곡선(B 및 C)은 곡선(D)의 샘플 GMF와 강하게 오버랩(overlap)하여 dMF 파(4)의 검출을 악화시킨다. 기준파(3A)의 압축으로 인해, 이 오버랩은 최소화되거나 배제된다.
전계 분해 검출기에서 기준파(3A)를 시간 내에 최적으로 압축하기 위해, 다음 두 가지 경우로 구별할 수 있다.
먼저, 여기 펄스는 분광 장치(100)의 측정 섹션에 들어가기 전에 시간 내에 이미 완벽하게 압축된다. 이는 샘플 용기, 미러 또는 다른 광학 구성 요소와 같은 측정 섹션의 구성 요소가 어떠한 추가 분산도 도입하지 않는다는 것을 의미한다. 이는 다음 세 가지 디자인 전략으로 달성할 수 있다.
디자인 1 : 다양한 재료와 음 및 양의 그룹 속도 분산을 결합하는 것이다. 이에 의해, 개별 재료의 두께는 각 재료의 도입된 분산이 상쇄되도록 선택된다. 물질은 또한 관심있는 샘플을 제자리에 유지하기 위해 액체 또는 가스 전지(gas cell)를 위한 윈도우로서 사용될 수 있다. 투과(transmission)을 극대화하기 위해 추가적인 반사 방지 코팅을 윈도우에 적용할 수 있다.
10μm에서 중심 파장으로 시간 내에 잘 압축된 레이저 펄스를 위한 액체 셀 샘플 용기를 포함하는 디자인 1을 기반으로 하는 측정 섹션의 예는 샘플 용기의 벽으로서 2 개의 5mm 게르마늄(Germanium) 윈도우와 게르마늄 윈도우 중 하나와 결합된 3mm ZnSe 플레이트를 포함한다. 샘플 용기는 분산 보상을 위해 브루스터 각도로배열된다. 도 5는 관심있는 대역폭에 대해 도입된 그룹 속도 분산(group velocity dispersion)을 나타낸다. 10 μm에서 총 GVD는 0과 동등하다.
디자인 2 : 분산 재료의 총량을 최소화하는 것이다.. 이것은 모든 투과 윈도우의 두께를 최소화하거나 관심있는 액체 샘플의 자유롭게 흐르는 액체 분사(jet)를 사용하여 완전히 투과시킬 수 있다. 이로써 생성된 액체 필름이 빔 왜곡 및 원치 않는 손실을 방지하기 위해 광학 표면 특성을 가진다. 액체 필름은 또한 투과를 극대화하기 위해 브루스터 각도 하에서 배치될 수 있다. 광학 특성을 갖는 액체 필름은 이미 입증되어 있다(Tauber, M. 등, "Review of Scientific Instruments" 74.11 (2003) : 4958-4960 참조).
디자인 3 : 맞춤형 및/또는 조정 가능한 분산 요소를 도입하여 윈도우 재료, 광학 및/또는 관심이 없는 샘플의 성분에 의한 유입 분산을 보상하는 것이다. 이러한 추가 분산 요소는 처프 미러(chirped mirror), 공간 광 변조기(SLM) 및/또는 음향 광학 프로그램 가능 분산 필터(Dazzler)일 수 있다.
둘째로, 여기 펄스는 측정 장치로 들어가기 전에 처프된다. 이는 측정 장치가 필드-분해 검출기에서 시간 내에 잘 압축된 펄스를 보장하기 위해 이 처프를 보상해야 한다는 것을 의미한다. 첫번째 케이스와 유사하게, 이를 달성하는데 디자인(1+3)의 약간의 변형이 적용 가능하다.
디자인 1 : 다양한 재료와 음 및 양의 그룹 속도 분산을 결합한 것이다. 이에 의해, 개별 재료의 두께는 각 재료의 도입된 분산과 여기 펄스의 처프가 상쇄되는 방식으로 선택된다. 물질은 또한 관심있는 샘플을 제자리에 유지하기 위해 액체 또는 가스 전지를 위한 윈도우으로서 사용될 수 있다. 투과를 극대화하기 위해 윈도우에 추가 반사 방지 코팅을 적용할 수 있다(요구 사항 2).
디자인 2 : 맞춤형 및/또는 조정 가능한 분산 요소를 도입하여 윈도우 재료, 광학 및/또는 관심이 없는 샘플의 성분에 의한 유입 분산을 보상하는 것이다. 이러한 추가 분산 요소는 처프 거울(chirped mirror), 공간 광 변조기(SLM) 및/또는 음향 광학 프로그램 가능 분산 필터(Dazzler)일 수 있다. 일반적으로 위에 나열된 디자인의 모든 조합은 측정 장치에 대한 요구 사항(1+2)을 충족하도록 조정할 수 있다.
용기 벽의 재료, 용기 벽의 두께 및/또는 반사 요소(52) 등의 분산 특성은 검출기 경로(20)를 향한 빔 경로를 따라 분산의 수치 시뮬레이션에 기초하여 선택될 수 있다. 액체 샘플 매트릭스의 샘플용 샘플 용기는 분산 제어를 위한 ZnSe 플레이트를 갖는 Ge 벽(높은 투과율 및 효과적인 압축률 측면에서 이점을 가짐), 분산 제어를 위한 ZnSe 플레이트를 갖는 Si 벽, 또는 Ge를 갖는 탈륨브로미디오드 화합물(hkalliumbromidiodide)(K S-5) 벽을 포함할 수 있다. 샘플 매트릭스가 없는 기체 샘플용 샘플 용기는 분산 제어를 위한 ZnSe 플레이트를 갖는 Ge 벽, K1, Rbl 또는 Csl 벽, 또는 KBr, RBr 또는 CBr 벽을 포함할 수 있다.
(III) 상호 작용 기하학의 최적화
다음에 기술된 바와 같이, 샘플 GMF 및/또는 차등 GMF에 대한 최적의 액세스를 획득하고 FRS에 대한 배경없는 검출 특성을 효율적으로 사용하기 위한 추가 접근법은 관심있는 샘플과의 상호 작용 길이를 최적화 함으로써 샘플 GMF 파를 최대화하는 것을 포함한다.
강하게 흡수하는 기준의 경우, 관심있는 샘플과의 최적의 상호 작용 길이 I는
여기서, α는 기준 샘플의 흡수 계수이다.
최적의 상호 작용 길이(l)는 주어진 두께(x) 및 필드 동적 범위(DRE)에 대한 검색의 상대 오차 sα를 최소화하여 얻어진다.
상대 오차가 최적 값 산출량에 비해 인자 10 이상을 벗어나지 않는 두께 범위는
이 방적식의 해는 다음과 같다.
따라서, W(x)는 곱셈 로그 함수이다.
따라서, l = 2/25α에서 l = 10/α 범위의 최적의 상호 작용 길이(l)가 얻어진다.
더 자세하게, 최적의 상호 작용 길이 
는 다음 고려사항에 기초하여 얻어진다. 흡수 샘플 매트릭스(기준 샘플을 구성함) 내의 샘플의 예는 강하게 흡수하는 액체의 분자 종(species)의 저농도 용액으로 구성된다. α1은 강하게 흡수되는 완충 물질의 흡광도(absorbance)로 하고 α2는 시험중인 저농도 용해된 분자 종의 흡광도로 가정하자. 이때, 특정 스펙트럼 요소의 강도는 다음과 같이 주어진다.
"기준" 강도는 
로 간주될 수있다. 전계(electric field)가 측정되기 때문에 방정식(1)은 다음과 같이 쓸 수 있다.
검출기 노이즈 제한 감도로 가정하면(기준 펄스가 너무 짧아서 GMF에 대한 중요한 정보를 잃지 않고 측정 시간 윈도우에서 효율적으로 제외될 수 있고 다른 스펙트럼 요소에서 흡수기(absorber)를 통한 강도와 위상 노이즈의 결합을 무시할 수 있는 경우), 최소 검출 가능한 흡수 손실(MDAL) 조건은 다음과 같다.
여기서, NEPE,att는 α1을 가진 매개체를 통한 감쇄 후 각 스펙트럼 요소의 잡음 등가 전력이다.
따라서, α2의 MDAL은 함수가 아래와 같을 때 최소에 도달한다.
이 값을 찾기 위해 첫 번째 미분 값이 계산되어 0으로 설정된다.
그 해는 x = 2/α1 이다.
예를 들어, 9.6 μm에서 α1 = 600cm-1 인 완충 물질로서 물을 측정하면 33μm의 최적 액체 셀 두께가 얻어진다. 105인 전계 측정의 동적 범위를 가정하면, 방정식(5)으로부터 α2 = 0.0163cm-1의 MDAL이 유도된다
(IV) 샘플파의 광학 증폭
차분 GMF(샘플(1)과 기준 샘플(1A)에 의해 방출된 GMF 파의 전계 차이, 도 1 참조)는 매우 약해도 좋다. 따라서, 전기 광학 샘플링(또는 일부 대안적인 필드 샘플링 기술)에 의해 측정되기 전에, 증폭시키는 것이 바람직하다. 도 6 및 7에 따르면, 광학 파라메트릭 증폭(OPA)이 이러한 목적으로 사용된다. 효율적인 OPA는 프로세스에 관련된 세 가지 파의 위상 속도, 증폭 프로세스를 구동하는 펌프파 및 증폭되는 신호 및 아이들러(idler) 파의 일치를 필요로 한다. 즉, kp = ks + ki( "신호" 및 "아이들러"는 전통적으로 고주파 및 저주파 증폭파에 연결)가 된다. OPA에 의해 증폭될 파가 슈퍼-옥타브 대역폭을 갖는 경우,이 파는 바람직하게는 상기 위상 정합 조건이 전체 대역폭에 걸쳐 합리적으로 잘 충족될 수 있도록 하는 가장 낮은 주파수의 "아이들러"파이며, 이는 증폭된 파동의 왜곡없이 효율적인 증폭을 하기 위한 전제 조건이다. 이 위상 정합 조건이 충족되고 펌프파와 증폭될 파(아이들러 상태)만 OPA 결정에서 겹치는 경우, 후자의 파는 (점근적으로) 지수 성장을 경험할 것이다.
여기서 Ai는 OPA 결정에서 z 방향을 따라 전파될 때의 분자 신호(아이들러 파)의 진폭이고, g는 펌프파의 진폭에 비례하는 OPA 이득 계수이다. 이 가장 간단한 OPA 구현의 주요 단점은 입력 신호 Ai(0)의 진폭이 매우 낮으면, 이 배경 노이즈보다 우세하게 증폭기 매개체에서 자발적으로 방출되는 방사선의 진폭을 충분히 초과하지 않을 수 있다. 그렇다면 증폭된 출력은 견딜 수 없는 노이즈로 인해 어려움을 겪게 될 수 있다. 증폭될 본 샘플파(3)는 실제로 매우 약할 수 있으므로, 후자의 문제는 펌프파 뿐만 아니라 입력 진폭의 신호파(As(0))로 OPA 프로세스를 구동함으로써 우아하고 효율적으로 우회될 수 있어, 분자 신호의 진폭보다 쉽게 수십 배 더 강하게 수 있다(A s (0)≫A i (0)). 이러한 조건에서 완벽한 위상 정합을 다시 가정하면,
얻어진다.
상기 관계의 비교는 이 후자의 경우에 증폭된 분자 신호의 진폭이 다음과 같이 향상되도록 산출된다.
G는 분자파의 초기 진폭에 따라 103-105초 정도로 쉽게 커질 수 있다.
따라서, 차동 분자 신호의 증폭은 펌프-신호 구동 OPA로 구현되어야 한다. 이는 분자 시스템을 조명하는데 사용되는 미드-적외선 파는 동일한 프로세스에서 생성되는 경우 특별히 간단하다. 이 경우, OPA 시스템을 떠나는 펌프 및 신호파는 상기 목적을 위해 직접 재순환 될 수 있다.
이 증폭 원리는 도 1 구성의 추가 세부 사항을 보여주는 도 6에 도시되어 있고, 대안적인 실시예를 나타내는 도 7에 도시되어 있고, 여기서 증폭은 검출 장치(20)에 포함된다. 도 6에 따르면, 샘플과의 상호 작용 후 MIR 펄스의 빔인 샘플파는 광학 파라메트릭 증폭 장치(60)로 전송된다. 증폭된 샘플 웨이브(3')는 MIR-NIR 빔 결합기(17)를 통해 샘플링 펄스(5)와 결합된다. 전기 광학 결정(25), 월라스톤 프리즘(Wollaston prism)(26) 및 평형 검출기( balanced detector)(27)를 포함하는 전기 광학 샘플링 유닛(23)으로 보내진다(도 7 및 12에 도시). 전기 광학 샘플링 유닛(23)에서, 전기 광학 검출은 전기 광학 결정(25)에서 SFG(sum-frequency generated) 신호의 광 증폭에 의해 수행된다. SFG 신호는 MIR 신호(분자 지문 신호)의 실제 정보를 캐리한다. 도 7에 따르면, 광학 파라메트릭 증폭 장치(60)는 전기 광학 샘플링 유닛(23)에 포함된다.
도 8은 도 1의 간섭 구성(실시예 I)을 분산 설정(실시예 II) 및 광학 증폭(실시예 IV)과 결합하는 분광 장치(100)의 변형을 도시한다. 이 경우에, 분산 조정 요소(53)는 간섭계(40) 앞에 배치되고, 광학 파라메트릭 증폭 장치(60)는 제 1 검출기 채널(21)에 배치된다.
(V) 분광 장치의 (V) SRS 실시예
본 발명의 일 실시예에 따르면, FRS 분광법은 SRS 측정에 사용된다. 도 9는 SRS 측정의 예를 보여준다. 본 발명의 구현은 특히, 펌프 및 스토크 펄스의 제공 및 기준 샘플의 직렬(도시된 바와 같음) 또는 병렬(도 1과 유사) 측정과 관련하여 이러한 특정 구성에 제한되지 않고 수정된 변형으로도 가능하다.
도 9에 따르면, SRS 측정용 분광 장치(100)는 레이저 펄스 소스(10), 검출기 장치(20) 및 기준파의 시간 압축을 위한 분산 설정 구성요소(도시되지 않은 샘플 용기(51) 또는 기준 용기(51A)의 벽 재료의 디자인에 의해 구현됨)를 포함한다. 샘플(도 1 참조)의 스펙트럼 응답을 산출하는 산출 장치는 도 9에 도시되어 있지 않다. 분광 장치(100)의 도시된 실시예는 기준파로부터 샘플파의 시간적 분리에 적합하다. 본 발명의 대안적인 실시예에 따르면, 도 1 또는 8에 따라 도 10의 분광 장 (100)는 여기파, 예를 들어 여기파로부터 샘플파의 간섭 분리에 적합할 수 있다.
레이저 펄스 소스(10)는 출력 에너지가 30μJ, 반복 속도가 11MHz, 중심 파장이 1030nm, 펄스 지속 시간이 500fs인 구동 펄스를 생성하는 Yb:YAG 얇은 디스크 레이저와 같은 펨토초 소스 (11)를 포함한다(D. Bauer 등 "Opt. Express" 20.9, p96.9698., 2012 및 J. Brons 등의 "Opt. Lett." 41.15, 3567, 2016; 및 H. Fattahi 등의 "Opt. Express" 24.21, pp. 24337-24346, 2016 문헌 참조)). 생성 후, 구동 펄스는 푸리에 변환 한계로 압축된다. 약 20fs로 펄스의 시간적 제한은 더 높은 감도 및 신호대 잡음비(signal-to-noise ratio)로 분자 자유 유도 감쇠(FID: molecular free induction decay)를 검출할 수 있게 한다. 펨토초 변환 유닛(femtosecond conversion unit)(19)은 구동 펄스에 기초하여 450nm 내지 2000nm의 스펙트럼을 갖는 CEP 안정 초연속(supercontinuum)을 생성하기 위해 제공된다. 펨토초 변환 유닛(19)은 석영과 같은 벌크 재료에서 백색광 발생 등을 포함한다. 펨토초 변환 유닛(12) 출력의 일부는 검출기 장치(20)로 전기 광학 샘플링을위한 일련의 샘플링 펄스(5)를 제공하기 위해 처프(chirp)된 미러 압축기 및 지연 유닛을 포함하는 제 1 압축 및 지연 유닛(13A)으로 편향된다.
여기된 라만 산란의 전기장 검출을 위해, 샘플(1)은 일련의 협대역 펌프 펄스(7) 및 광대역 스토크 펄스(2) 등으로 동시에 조사되고(도 10 참조), 이들 펄스는 펨토초 변환 유닛(12)으로부터의 출력에 기초하여 생성된다. 여기파는 제 2 압축 및 지연 유닛(13B)을 통해 샘플(1)에 공급된 광대역 스토크 펄스(2)에 의해 나타난다. 협대역 펌프 펄스(7)는 음향-광학 변조기(71)(MHz 주파수로 변조) 및 중심 파장 1030nm 및 펄스 지속 시간 1ps인 에탈론(ethalon)(72)으로 생성된다. 샘플(1)과의 상호 작용 후, 수정된 프로브 광은 샘플(1)의 진동 라만 응답에 의해 강화된 스토크 펄스(8) 및 펌프 펄스를 포함한다. 검출 장치(20)를 이용한 전기 광학 샘플링 전에, 강화된 스토크 펄스(8)는 펌프 광을 억제하는 롱 패스 필터(73)(예를 들어, 1050nm)를 통과한다. 강화된 스토크 펄스(8)는 상술된 샘플파(3)를 나타낸다. dMF 측정을 구현하기 위해, 샘플(1)은 기준 샘플로 대체되고 기준 샘플에서 여기된 강화된 스토크 펄스를 포함하여 기준 파형이 검출된다.
전기 광학 샘플링을 위한 검출기 장치(20)는 상술한 바와 같이 설계된다. 제 1 압축 및 지연 유닛(13A)에 의해 제공된 샘플링 펄스(5)는 예를 들어 강화된 스토크 펄스(8) 등의 샘플파와 중첩되고, 이 모두는 전기 광학 결정(25)(예를 들어, BBO 결정), 700nm 쇼트 패스 필터(short pass filter) 및 λ/4 플레이트, 월라스톤 프리즘(26)을 거쳐 평형 검출기(27)로 동시에 전송된다.
대안적인 실시예에서, 광대역 펌프 펄스 및 협대역 스토크 펄스가 생성되고 여기파는 협대역 스토크 펄스를 포함하며, 여기서 프로브 광은 광대역 펌프 펄스를 포함하고 수정된 프로브 광은 샘플의 진동 라만 응답에 의해 감소된 펌프 펄스를 포함한다. 다른 대안적인 실시예에 따르면, 도 9의 분광 장치(100)는 도 1에 따른 기준파로부터 샘플파(강화된 스토크 펄스(8))의 간섭 분리하는데 적합할 수 있다. 특히,도 1의 마하젠더 간섭계는 제 1 간섭계 암의 샘플(1) 및 제 2 간섭계 암의 기준 샘플을 포함하여 제공될 수 있다. 펌프 및 스토크 펄스는 제 1 및 제 2 간섭계 암 모두로 분할된다.
도 9에 따른 스토크 펄스의 필드-검출은 새로운 펨토초(SRS) 체계를 나타낸다. 본 발명의 실시예에서 증가된 감도는 몇 펨토초(fs) 시간 윈도우에서 여기 스토크 펄스의 제한에 기인한다. 스토크 이득은 수백 fs에서 시작하는 피코 초 시간 프레임에서 분해될 수 있고, 여기 펄스의 시간 윈도우 외부에서 분해될 수도 있다. 분자 응답이 시간이 지남에 따라 기하 급수적으로 붕괴됨에 따라, 배경이 없는 측정은 더 높은 감도를 허용하게 된다.
fs SRS에서 협 대역폭의 ps Raman 펌프 펄스(7)와 광대역의 적은 사이클의 스토크 펄스(2)의 동시 상호 작용은 샘플에서 거시적인 편광을 생성한다. 펌프 펄스(7)의 협 대역폭은 분자 지문을 분해하는데 필요한 높은 스펙트럼 해상도를 제공한다. 이 과정에서 스토크 엔벨로프(envelope) 위에 날카로운 진동 게인 특성이 나타나고 시간 영역에서 수백 ps의 지수 감쇠가 나타난다. 스토크 펄스는 샘플에서 분자의 진동 코히어런스(coherence)를 시작하며, 이는 진동 탈위상(dephasing) 시간(τvib)에 따라 감소한다. 이러한 진동 코히어런스의 지속 시간은 주파수 영역에서 제한된 대역폭을 야기하고 유도된 코히어런트 진동 모션은 진동 주파수에서 거시적 편광(macroscopic polarization)을 조절한다(Kukura, P. 등의 "Annu. Rev. Phys. Chem." 58.1, pp. 461-488, 2007). 시간 영역에서 강화된 스토크 펄스(3)를 측정함으로써 샘플의 전체 지문 영역을 검출할 수 있다.
상기 설명, 도면 및 청구 범위에 개시된 본 발명의 특징은 상이한 실시예에서 본 발명의 구현을 위해 개별적으로, 조합하여 또는 하위 조합으로 중요성을 가질 수 있다.
Claims (42)
- 샘플의 분극 응답을 측정하는 방법에 있어서,
일련의 여기파를 생성하는 단계,
상기 여기파와 상기 샘플의 상호 작용을 포함하여 상기 일련의 여기파로 상기 샘플을 조사하여, 샘플 메인 펄스와 샘플 글로벌 분자 핑거 프린트(GMF) 파((EGMF(sample)(t))의 중첩을 포함하는 일련의 샘플파를 각각 생성하는 단계,
상기 여기파와 기준 샘플의 상호 작용을 포함하여 상기 일련의 여기파로 상기 기준 샘플에 조사하여, 기준 메인 펄스와 기준 GMF 파((EGMF(ref)(t))의 중첩을 포함하는 일련의 기준파를 생성하는 단계,
공간 및 시간 중 한가지 이상에서 상기 샘플파와 상기 기준파 모두에 공통인 GMF 파 기여(contribution)로부터 상기 샘플파와 상기 기준파의 차이를 광학적으로 분리하는 단계, 및
상기 샘플파와 상기 기준파의 차이를 검출하고 각각 상기 샘플과 상기 기준 GMF 파의 차이를 포함하는 dMF(differential molecular fingerprint) 파(ΔEGMF)의 시간 진폭을 결정하는 단계를 포함하는 측정 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 광학적으로 분리하는 단계는 상기 샘플파 및 상기 기준파의 간섭 조합을 포함하여, 상기 샘플과 상기 기준 메인 펄스의 간섭 소거 및 상기 샘플파와 상기 기준 GMF 파 모두에 포함된 상기 GMF 파 기여를 발생시키는 방법.
- 제 2 항에 있어서,
상기 간섭 소거는 마하젠더 간섭계(Mach-Zehnder interferometer)를 사용하여 얻어지고,
상기 여기파는 상기 마하젠더 간섭계(40)의 제 1 입력 포트에 입력되고,
조사될 상기 샘플은 상기 마하젠더 간섭계의 제 1 간섭계 암에 배치되고,
상기 기준 샘플은 상기 마하 젠더 간섭계의 제 2 간섭계 암에 배치되고,
상기 dMF 파는 상기 마하젠더 간섭계의 제 1 출력 포트에서 제공되는 방법.
- 제 3 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 간섭계 암에서의 빔 전파 경로 길이는 상기 여기파의 1/2 캐리어 파장 내에서 동일하게 설정되는 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 광학적으로 분리하는 단계는 상기 기준파가 푸리에 변환 한계(fourier transform limit)를 향해 단축되도록 상기 샘플 및 상기 기준 샘플을 포함하는 빔 경로에서 그룹 지연 분산(group delay dispersion)을 설정하는 단계를 포함하는 방법.
- 제 5 항에 있어서,
상기 그룹 지연 분산을 설정하는 단계는 상기 기준 메인 펄스를 단축시키고 상기 샘플파 및 상기 기준 GMF 파 모두에 포함된 GMF 파 기여를 단축시키는 것을 포함하는 방법.
- 제 5 항에 있어서,
푸리에 변환 한계 펄스 지속 시간(Fourier transform limit pulse duration)으로 상기 여기파를 생성하는 단계, 및
상기 여기파 및, 상기 샘플 메인 펄스 및 상기 기준 메인 펄스 중 하나 이상을 분산 보상에 적용하여, 빔 경로를 따라 소정의 물질의 펄스 신장 효과(pulse stretching effect)를 감소시키는 단계를 포함하는 방법.
- 제 7 항에 있어서,
상기 분산 보상은 상기 샘플의 샘플 용기 및 상기 기준 샘플의 기준 용기에 음 또는 양의 분산을 갖는 용기 벽 재료(container wall material)를 제공하는 단계; 및
상기 샘플 및, 상기 기준 샘플 전 및 후 중 하나 이상에 반사 요소에 의해 음 또는 양의 분산을 적용하는 단계;
중 하나 이상의 단계를 포함하는 방법.
- 제 5 항에 있어서,
상기 빔 경로를 따라 도입된 분산을 통해 펄스 처프(pulse chirp)를 보상하도록 상기 펄스 처프로 여기파를 발생시키는 단계를 포함하는 방법.
- 제 9 항에 있어서,
상기 펄스 처프 보상은 상기 샘플의 샘플 용기 및 기준 샘플의 기준 용기에 분산을 갖는 용기 벽 재료를 제공하여, 펄스 처프를 상쇄시키는 단계; 및
샘플 및, 기준 샘플 전 및 후 중 하나 이상에 반사 요소에 의한 분산을 적용하여, 상기 펄스 처프를 상쇄시키는 단계;
중 하나 이상의 단계를 포함하는 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 샘플의 샘플 용기 및 상기 기준 샘플의 기준 용기 상에 반사 방지 코팅을 제공하거나; 및
상기 샘플 및 상기 기준 샘플을 상기 여기파 빔 경로에 대한 브루스터 각도(Brewster angle) 하에 배치하는 것;
중 어느 하나 이상을 하는 것으로서, 상기 샘플 및 상기 기준 샘플을 통한 프로브 광 투과를 최대화 하는 단계를 포함하는 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 샘플 및 상기 기준 샘플은 액체 또는 고체 물질을 포함하고,
상기 샘플 및 상기 기준 샘플 내의 상기 여기파의 상호 작용 길이는 l=2/25α에서 l=10/α의 범위로 설정되며, 상기 α는 상기 기준 샘플의 흡수 계수인 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 샘플파 및 상기 기준파, 및 dMF 파 중 하나 이상의 광 증폭 단계를 포함하는 방법.
- 제 13 항에 있어서,
상기 광 증폭은 펌프-신호-구동 광학 파라메트릭 증폭을 포함하는 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 샘플 및 상기 기준 샘플에서 여기된 라만 산란(stimulated Raman scattering)을 검출하는 단계를 포함하고,
상기 샘플은 일련의 협대역 펌프 펄스 및 광대역 스토크 펄스 또는 대안적으로 광대역 펌프 펄스 및 협대역 스토크 펄스로 동시에 조사되며,
상기 여기파는 상기 광대역 스토크 펄스 또는 대안적으로 광대역 펌프 펄스를 포함하고,
샘플 GMF 파와 기준 GMF 파는 상기 샘플와 상기 기준 샘플의 진동 라만 응답에 의해 강화된(enhanced) 스토크 펄스 또는 대안적으로 상기 샘플 및 기준 샘플의 진동 라만 응답에 의해 감소된 펌프 펄스를 포함하는 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 여기파는 1ps 이하의 펄스 지속 시간을 가지는 방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 dMF 파는 전기 광학 샘플링(electro-optic sampling) 또는 광전도 샘플링(photo-conductive sampling)에 의해 검출되는 방법.
- 샘플의 분극 응답을 측정하는 방법에 있어서,
일련의 여기파를 생성하는 단계,
상기 여기파와 상기 샘플의 상호 작용을 포함하여 상기 일련의 여기파로 상기 샘플을 조사하여, 샘플 메인 펄스와 샘플 글로벌 분자 핑거 프린트(GMF) 파((EGMF(sample)(t))의 중첩을 포함하는 일련의 샘플파를 각각 생성하는 단계,
상기 여기파와 기준 샘플의 상호 작용을 포함하여 상기 일련의 여기파로 상기 기준 샘플에 조사하여, 기준 메인 펄스와 기준 GMF 파((EGMF(ref)(t))의 중첩을 포함하는 일련의 기준파를 생성하는 단계, 및
상기 샘플파와 상기 기준파의 차이를 검출하고 각각 상기 샘플과 상기 기준 GMF 파의 차이를 포함하는 dMF(differential molecular fingerprint) 파((ΔEGMF))의 시간 진폭을 결정하는 단계를 포함하고,
상기 샘플파 및 상기 기준파, 및 상기 dMF 파 중 어느 하나 이상이 광학적으로 증폭되는 방법.
- 제 18항에 있어서,
광학 증폭은 펌프-신호-구동 광학 파라 메트릭 증폭을 포함하는 방법.
- 샘플의 분극 응답을 측정하는 분광 장치에 있어서,
일련의 여기파를 생성하고, 상기 여기파와 상기 샘플의 상호 작용을 포함하여 상기 일련의 여기파로 상기 샘플을 조사하여, 샘플 메인 펄스와 샘플 글로벌 분자 핑거 프린트(GMF) 파((EGMF(sample)(t))의 중첩을 포함하는 일련의 샘플파를 각각 생성하고, 상기 여기파와 기준 샘플의 상호 작용을 포함하여 상기 일련의 여기파로 상기 기준 샘플에 조사하여, 기준 메인 펄스와 기준 GMF 파((EGMF(ref)(t))의 중첩을 포함하는 일련의 기준파를 생성하는 레이저 소스 장치와,
공간 및 시간 중 어느 하나 이상에서 상기 샘플파와 상기 기준파 모두에 공통인 GMF 파 기여로부터 상기 샘플파와 상기 기준파의 차이를 광학적으로 분리하는 적어도 하나의 광학 조정 장치 및
상기 샘플파와 상기 기준파의 차이를 검출하고 각각 상기 샘플과 상기 기준 GMF 파의 차이를 포함하는 dMF(differential molecular fingerprint) 파((ΔEGMF))의 시간 진폭을 결정하는 검출 장치를 포함하는 분광 장치.
- 제 20 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 광학 조정 장치는 상기 일련의 여기파는 마하젠더 간섭계의 제 1 입력 포트에 입력되고, 조사될 상기 샘플은 상기 마하젠더 간섭계의 제 1 간섭계 암에 배치되고, 상기 기준 샘플은 상기 마하 젠더 간섭계의 제 2 간섭계 암에 배치되고, 상기 dMF 파는 상기 마하젠더 간섭계의 제 1 출력 포트 에서 제공하도록 하는 마하젠더 간섭계를 포함하는 분광 장치.
- 제 21 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 간섭계 암에서의 빔 전파 경로 길이는 상기 여기파의 1/2 캐리어 파장 내에서 동일하게 설정되는 분광 장치.
- 제 20 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 광학 조정 장치는 상기 기준파가 푸리에 변환 한계(fourier transform limit)를 향해 단축되도록 상기 샘플 및 상기 기준 샘플을 포함하는 빔 경로에서 그룹 지연 분산(group delay dispersion)을 선택하는 분광 장치.
- 제 23 항에 있어서,
상기 레이저 소스 장치는 푸리에 변환 한계 펄스 지속 시간(Fourier transform limit pulse duration)으로 상기 여기파를 생성하고,
상기 빔 경로를 따라 소정의 물질의 펄스 신장 효과(pulse stretching effect)를 감소시키도록 상기 샘플 및 상기 기준 샘플을 포함하는 빔 경로에서의 그룹 지연 분산(group delay dispersion)을 선택하는 분광 장치.
- 제 24 항에 있어서,
상기 샘플의 샘플 용기 및 상기 기준 샘플의 기준 용기에 음 또는 양의 분산을 갖는 용기 벽 재료(container wall material)를 가지고,
상기 샘플 및, 상기 기준 샘플 전 및 후 중 어느 하나 이상에 음 또는 양의 분산을 적용하는 반사 요소로 이루어진 분광 장치.
- 제 23 항에 있어서,
상기 레이저 소스 장치는 상기 빔 경로를 따라 도입된 분산을 통해 펄스 처프(pulse chirp)를 보상하도록 상기 펄스 처프로 여기파를 발생시키는 분광 장치.
- 제 26 항에 있어서,
상기 샘플의 샘플 용기 및 상기 기준 샘플의 기준 용기는 분산을 갖는 용기 벽 재료를 갖고 있어 펄스 처프를 상쇄시키고,
샘플 및, 기준 샘플 전 및 후 중 어느 하나 이상에 분산을 적용하는 반사 요소를 배치하여 상기 펄스 처프를 상쇄시키는 분광 장치.
- 제 20 항에 있어서,
상기 샘플의 샘플 용기 및 상기 기준 샘플의 기준 용기 상에 반사 방지 코팅을 제공하거나; 및
상기 샘플 및 상기 기준 샘플을 상기 여기파 빔 경로에 대한 브루스터 각도(Brewster angle) 하에 배치하는 것;
중 어느 하나 이상을 하는 분광 장치.
- 제 20 항에 있어서,
상기 샘플 및 상기 기준 샘플은 액체 또는 고체 물질을 포함하고,
상기 샘플 및 상기 기준 샘플 내의 상기 여기파의 상호 작용 길이는 l=2/25α에서 l=10/α의 범위로 설정되며, 상기 α는 상기 기준 샘플의 흡수 계수인 분광 장치.
- 제 20 항에 있어서,
광학 증폭 장치는 상기 샘플파 및 상기 기준파, 또는 dMF 파의 광 증폭하는 분광 장치.
- 제 30 항에 있어서
상기 광학 증폭 장치는 펌프-신호-구동 광학 파라메트릭 증폭 장치인 분광 장치.
- 제 20 항에 있어서,
상기 샘플에서 여기된 라만 산란을 검출하고,
상기 레이저 소스 장치는 일련의 협대역 펌프 펄스 및 광대역 스토크 펄스 또는 대안적으로 광대역 펌프 펄스 및 협대역 스토크 펄스로 상기 샘플을 동시에 조사하고,
상기 여기파는 상기 광대역 스토크 펄스 또는 대안적으로 광대역 펌프 펄스를 포함하고,
샘플 GMF 파와 기준 GMF 파는 상기 샘플와 상기 기준 샘플의 진동 라만 응답에 의해 강화된 스토크 펄스 또는 대안적으로 상기 샘플 및 기준 샘플의 진동 라만 응답에 의해 감소된 펌프 펄스를 포함하는 분광 장치.
- 제 20 항에 있어서,
상기 레이저 소스 장치는 1ps 이하의 펄스 지속 시간을 가지는 상기 여기파 를 생성하는 분광 장치.
- 제 20 항에 있어서,
상기 검출 장치는 전기 광학 샘플링(electro-optic sampling) 또는 광전도 샘플링(photo-conductive sampling)에 의해 상기 dMF 파를 검출하는 분광 장치.
- 샘플의 분극 응답을 측정하는 분광 장치에 있어서,
일련의 여기파를 생성하고, 상기 여기파와 상기 샘플의 상호 작용을 포함하여 상기 일련의 여기파로 상기 샘플을 조사하여, 샘플 메인 펄스와 샘플 글로벌 분자 핑거 프린트(GMF) 파((EGMF(sample)(t))의 중첩을 포함하는 일련의 샘플파를 각각 생성하고, 상기 여기파와 기준 샘플의 상호 작용을 포함하여 상기 일련의 여기파로 상기 기준 샘플에 조사하여, 기준 메인 펄스와 기준 GMF 파((EGMF(ref)(t))의 중첩을 포함하는 일련의 기준파를 생성하는 레이저 소스 장치와,
상기 샘플파와 상기 기준파의 차이를 검출하고 각각 상기 샘플과 상기 기준 GMF 파의 차이를 포함하는 dMF(differential molecular fingerprint) 파((ΔEGMF))의 시간 진폭을 결정하는 검출 장치 및
상기 샘플파 및 상기 기준파, 및 상기 dMF 파 중 어느 하나 이상을 광학적으로 증폭하는 광학 증폭 장치를 포함하는 분광 장치.
- 제 35항에 있어서,
상기 광학 증폭 장치는 펌프-신호-구동 광학 파라 메트릭 증폭 장치인 분광 장치. - 제 20 항에 있어서,
생물학적 샘플의 분극 응답을 측정하는 것을 특징으로 하는 분광 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 샘플이 생물학적 샘플인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 18 항에 있어서,
상기 샘플이 생물학적 샘플인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 24 항에 있어서,
양 또는 음의 분산을 적용하는 반사요소가 샘플 및 기준 샘플의 전 및 후 중 하나 이상에 이루어지는 분광 장치.
- 제 27 항에 있어서,
분산을 적용하도록 구성된 반사요소는 펄스 처프가 상쇄되도록 샘플, 및 기준 샘플의 전 및 후 중 어느 하나에 배치되는 분광 장치.
- 제 20 항에 있어서, 샘플 및 기준 샘플은 여기파 빔 경로를 기준으로 브루스터 각도(Brewster angle) 하에 배치되는 분광 장치.
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Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20050168735A1 (en) * | 2003-01-24 | 2005-08-04 | Boppart Stephen A. | Nonlinear interferometric vibrational imaging |
| KR100860947B1 (ko) * | 2007-06-08 | 2008-09-30 | 한국표준과학연구원 | 적외선 비선형 분자진동 분광 이미징 장치 |
| JP2013088244A (ja) | 2011-10-17 | 2013-05-13 | Seiko Epson Corp | 成分濃度測定装置及び成分濃度測定方法 |
| WO2016102056A1 (en) | 2014-12-23 | 2016-06-30 | Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e. V. | Method and apparatus for measuring a spectral sample response |
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|---|---|---|---|---|
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|---|---|---|---|---|
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| KR100860947B1 (ko) * | 2007-06-08 | 2008-09-30 | 한국표준과학연구원 | 적외선 비선형 분자진동 분광 이미징 장치 |
| JP2013088244A (ja) | 2011-10-17 | 2013-05-13 | Seiko Epson Corp | 成分濃度測定装置及び成分濃度測定方法 |
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