KR102564947B1

KR102564947B1 - 핸드 헬드, 필드 휴대용, 표면 플라즈몬 공명 장치 및 이의 화학적 및 생물학적 작용제에 대한 적용

Info

Publication number: KR102564947B1
Application number: KR1020187001016A
Authority: KR
Inventors: 안토니 피. 카포; 딥타브하 사르카르; 폴 티. 가바리스; 크리스 디. 게데스; 알리 에이치. 고반루
Original assignee: 래크리사이언시즈, 엘엘씨.
Priority date: 2015-06-12
Filing date: 2016-06-10
Publication date: 2023-08-07
Also published as: KR20180008895A; CA2989135A1; EP3308145B1; AU2016274855A1; WO2016201189A1; CN108449968B; US10859493B2; US20180313754A1; JP7102485B2; EP3308145A1; EP3308145A4; JP2018517154A; JP6790082B2; JP2021043209A; ES2923051T3; CN108449968A; AU2016274855B2

Abstract

SPR 검출장치는 평면 금속층을 포함하는 센서 부재를 갖는 광학 시스템을 갖고, 센서 부자는 하우징에 제거 가능하게 장착된다. 제1 광학부는 입사광을 센서 층의 법선에 대하여 기설정된 범위의 각으로 금속층의 후방 측으로 지향시킨다. 제2 광학부는 입사광에 대응되는 적어도 하나의 반사광을 금속층으로부터 변환기로 유도한다. 변환기는 들어오는 전자기 방사선을 전기 신호로 전환하여 신호 처리기로 전송하고, 신호 처리기는 하우징 내에 배치되고, 적어도 하나의 광전 변환기에 작동 가능하게 연결되어 표면 플라즈몬 공명 각을 검출한다. 제1 광학부는 적어도 하나의 입사광이 적어도 20 °로 걸쳐 있도록 구성된다.

Description

핸드 헬드, 필드 휴대용, 표면 플라즈몬 공명 장치 및 이의 화학적 및 생물학적 작용제에 대한 적용

매우 낮은 농도의 용매 측정을 위하여 표면 플라즈몬 공명을 사용하는 시스템, 방법 및 장치/기구를 제공한다. 특히, 실험실 환경 외부에서 및 특히 적대적인 환경에서 편리하게 정확한 측정을 할 수 있는 휴대형 분석 장치의 형태를 갖는 시스템 및 장치를 제공한다.

표면 플라즈몬 공명(SPR) 시스템은 잘 알려져 있고, 및 일반적으로 벤치 탑(bench top) 분석 시스템으로의 실험실 수준의 세팅에서 사용된다. 금속의 박막층에서 생성되는 표면 플라즈몬 진동의 현상은 입사광이 표면과 특정 각도로 충돌할 때 발생한다. 단순한 검출 시스템은 표면 플라즈몬의 진동 또는 공명 주파수의 변화를 검출할 수 있고, 이는 금속성 표면 주변의 환경의 함수로 변한다. 이는 예를 들어, 금속 표면과 접촉하는 용액의 농도의 미세한 변화를 검출하도록 한다. 이 장비의 핵심은 광원, 광학장치, (렌즈, 프리즘), 및 광학 검출기를 사용하는 광학 특성이다.

일반적인 SPR 시스템은 크레치만(Kretschmann) 구성을 사용하고, 여기서 광은 특히 원추형 프리즘(연마된 곡면과 연마된 평면 또는 평평한 표면이 있는 축을 따라 반으로 자른 원통형)의 형태인 유리 기판으로 주입되고, 이에 따라 입사광은 전반사(TIR)을 유발하는 계면의 임계 각보다 큰 각으로 프리즘의 평면 표면에 부딪친다. 박막의 금속, 특히 50 nm 두께의 금은 원추형 프리즘의 평면 표면에 증착된다. 입사광의 특정 각에서(임계 각보다 큰), TIR로부터 발생하는 소멸파는 금 층을 관통하고, 금속 내에서 표면 플라즈몬 모드와 결합하여 진동을 발생시킨다.

표면 플라즈몬(SP)은 금속 표면 상의 자유 전자의 세로방향 진동이다. 입사각을 검출함에 의하여 이들 표면 플라즈몬 모드의 주파수를 조사하는 것은 표면 플라즈몬 공명(SPR) 분광기의 기초이다. 빛의 광선이 유리 매질을 갖는 계면에서 금속 필름과 부딪친다는 것을 아는 것이 중요하다. 이는 밑면(underside)으로 언급된다. 그러나, SP는 금속 층 또는 필름의 다른 면에서 시작되고, 그때 이는 윗면이다. SP는 본질적으로 소멸되는데, 이는 윗면으로부터 짧은 거리 내, 특히 입사광의 파장정도 내에서의 어떠한 변화도 플라즈몬 주파수에 영향을 준다는 것을 의미한다.

SPR 을 생물학적 또는 화학적 센서로 사용하기 위하여, 리간드가 윗면에 접착된다. 분석물이 이와 같은 리간드에 결합될 때, 변화는 윗면에 매우 인접한 이 금속(예를 들어 금) 층에 영향을 받고, 이에 따라 SPR 주파수 변화를 유도하게 된다. 금 층의 밑면으로부터 이와 같은 변화를 조사함에 의하여, 특정 표적 분자를 감지할 수 있게 된다. 따라서, 금속 층의 윗면은 또한 감지면이기도 하다.

SPR 시스템은 예를 들어, 생물학, 화학, 및 재료학 분야에서 반복적으로 사용된다. 상기 장치는 본질적으로 민감하고, 리간드/분석물 화학과 결합하여 매우 강력해진다. 이와 같은 경우에, 관심 대상 분석물과 특이적으로 결합하는 리간드가 개발된다. 그 후, 이와 같은 리간드는 화학적으로 금속성 표면에 결합되고, 표면 플라즈몬의 공명 주파수의 변화를 유발하는 것은 분석물과 리간드 사이의 상호작용이다. 이는 시스템을 특정하게 만든다. 예를 들어, 리간드는 분석물과만 반응하고, 다른 성분들은 신호 변화에 영향을 주지 않는다.

예를 들어, 화학 실험실은 SPR 시스템을 다른 장치들 군의 일부로 사용하고, 각각은 특정 형태의 측정에 있어 서로를 보완하고, 또는 중복되는 데이터를 제공한다. SPR과 함께 사용되는 다른 형태의 장치 및 테크닉의 예는 예를 들어, 형광 분광기, 고성능 액체 크로마토그래피(HPCL), 적외선(IR) 분광기, X-선 광전자 분광기(XPS)를 포함할 수 있다. 이와 같은 시스템들은 때때로 SPR 이 할 수 없는 측정을 할 수 있지만, SPR 은 이의 본질적인 민감성, 및 특히 적절한 리간드 개발, 특이성과 함께 독특하다. 관심 대상 분석물과 특이적으로 결합하는 리간드를 개발하는 것은 SPR 을 매우 낮은 농도의 특정 검출을 위하여 강력한 플랫폼으로 만들어 준다.

더 작은 장치를 개발하는 시도들이 있어왔다(예를 들어, 미국 특허 제7,148,968, US20100284012, CN102692397B). 그러나, 장치나 테스트 절차에 특별한 시설 또는 숙련된 인력을 필요로 하지 않고, 그와 같은 장치가 자체-교정되는 진정한 휴대용 필드 시스템이 여전히 필요하다.

도 1은 표면 플라즈몬 공명(SPR) 검출을 위한 일반 또는 공지의 광학 시스템의 개략도이고,
도 2a는 본 발명에 따른 개시된 SPR 장치의 블록 다이어그램이고,
도 2b는 상기 SPR 장치의 3차원 도면이고,
도 3은 광학 검출기 상 이미지 내에서 어떻게 서로 다른 SPR 흡수선이 서로 다른 위치를 차지하는지를 보여주는 다이어그램이고,
도 4a는 액상 용액 방울의 SPR 응답을 측정하는 광학 시스템의 다이어그램이고,
도 4b는 도 4a의 시스템에 의하여 생성된 이미지 내의 SPR 흡수선의 상대적 위치를 보여주고,
도 5a는 공기의 SPR 응답을 측정하는 광학 시스템의 다이어그램이고,
도 5b는 도 5a의 시스템에 의하여 생성된 이미지 내의 SPR 흡수선의 상대적 위치를 보여주고,
도 6a는 공기 및 물과 같은 액체를 위한 SPR 신호를 유도하기 위한 광학 시스템의 다이어그램이고,
도 6b는 도 4a 시스템에 의하여 생성된 이미지 내의 두개의 SPR 흡수선의 상대적 위치를 보여주고,
도 7a는 공기 및 물과 같은 액체 모두를 위한 SPR 신호를 유도하기 위한 다른 광학 시스템의 다이어그램이고,
도 7b는 도 4a 시스템에 의하여 생성된 이미지 내의 두개의 SPR 흡수선의 상대적 위치를 보여주고,
도 8은 SPR 신호선(삽입도) 및 공기와 물과 같은 액체 모두를 위한 SPR 신호를 유도하는 관련된 광 경로를 보여주는 센서 프리즘 406이 크게 확대된 다이어그램이고,
도 9a는 공기와 물과 같은 액체 모두를 위한 SPR 신호를 유도하기 위한 도 다른 광학 시스템의 다이어그램이고,
도 9b는 도 9a의 시스템에 의하여 생성된 이미지 내의 두개의 SPR 흡수선의 상대적 위치를 각각 나타내는 3개의 이미지 필드를 보여주고,
도 10은 마이크로플루이드 캡을 갖는 SPR 장치의 개략적 단면도이고,
도 11은 본 발명에 따른 다른 마이크로플루이드 캡을 갖는 SPR 장치의 개략적 단면도이고,
도 12는 조합 장치의 개략도이고,
도 13은 SPR 및 형광 검출 시스템을 포함하는 캡의 개략도이다.

자체 전원이 내장되어 있고, 자체 교정이 가능하고, 내부 프로세서가 있고, 결과를 보고하거나 또는 추가적인 분석을 위하여 스마트폰 또는 인근 컴퓨터와 무선으로 연결된 SPR 시스템 및 기구/장치가 제공된다. 또한, 신규한 리간드/분석물 화학과 함께, 매우 작은 농도, 필요한 경우(예를 들어 나노 몰)로 화학적 및 생물학적 작용체를 측정하는 방법을 제공한다. 휴대용 SPR 시스템은 다양한 방법으로 사용될 수 있고, 여기서 개시된 예들은 이들의 사용을 한정하는 것을 의도하는 것이 아니고, 단지 몇가지 가능한 장치, 및 센서 구성 및 작동 방식을 구별하기 위한 것이다.

전장에서, 군인은 전문가가 현장에 도착하기 전에 의심스러운 패키지에 TNT(2,4,6-트리니트로톨루엔)이 포함되어 있는지를 알 필요가 있을 수 있다. 필드 휴대용 SPR 시스템으로, 군인은 백팩으로부터 카드 데크 크기인 SPR 시스템을 포함하는 작은 파우치를 꺼내고, TNT 리간드와 함께 준비된 밀봉된 센서(예를 들어 오염에 저항하기 위하여 진공 포장된)를 찢어 개방하고, 상기 센서를 소형 장치의 슬롯으로 삽입하고, 센서의 표면을 의심스러운 패키지 근처에 노출시킨다. 상기 장치는 TNT의 존재에 대하여 '네' 또는 '아니오'로 반응할 수 있고, 도는 보다 포괄적인 버전에서는 TNT의 상대적 농도로 반응할 수 있다.

장기간 동안의 모니터링이 필요한 테스트 실험실, 식품 과학 분야 또는 제조 현장에서, 특정 성분(예를 들어 과당)의 농도는 12 시간 기간동안 시간 단위로 보고될 필요가 있다. 이와 같은 경우, 센서는 물질(예를 들어 액체)의 유동으로 인라인으로 삽입될 수 있다. 실제로, 센서는 제조 단계의 서로 다른 위치에 복수의 위치에 배치될 수 있다.

프로브의 형태를 취하고, 프로브의 말단이 센서와 연결되는 소형 SPR 장치가 제공된다. 경제적 측면에서, 하나의 프로브는 복수의 센서로부터 데이터를 받는다. 작업자는 정기적으로 센서에 프로브를 연결하고, 특정 시간동안 센서 표면에 결합된 예를 들어 과당의 양 관련 데이터를 수집하고, 핸드 헬드 프로브로부터 센서를 분리하고, 센서를 물질의 유동의 인라인 위치에 남겨두고, 데이터 수집을 위하여 다음 센서로 이동한다. 이와 같은 수집된 데이터는 호스트 기록 유지 컴퓨터로 (무선 연결로) 전송될 수 있다.

특정 구체예에서, 만약 SPR 시스템이 용액의 비이커에 침지될 수 있는 핸드 헬드 프로브 형태를 갖는 경우, 지하수와 같은 액체를 테스트하기 위한 환경적 필드에서 사용될 수 있다. SPR 센서 표면에 결합된 리간드는 지하수가 중금속, 비소, 또는 다른 오염 물질로 매우 낮은 농도로 오염된 것을 검출하기 위하여 사용될 수 있다.

특히, 부분적으로 화학 종의 농도를 결정하기 위하여 작동되고, 표면 플라즈몬 공명을 사용하는 검출 장치를 위한 광학 시스템이 제공된다. 장치는 하우징을 갖고, 핸드-헬드가 가능할 수 있고, 시스템은 상기 하우징 내 또는 하우징 상에 배치된다. 광학 시스템은 평면 금속층을 포함하는 센서 부재를 포함하고, 센서 부재는 제거 가능하게 하우징에 장착되고, 제1 광학 소자는 하우징에 배치되고, 적어도 하나의 입사광을 상기 층의 법선 방향에 대하여 기설정된 범위의 각으로 금속층의 후방 측으로 지향시키기 위하여 구성되고, 적어도 하나의 광전 변환기는 하우징 내에 배치되고, 제2 광학 소자는 하우징 내에 배치되고, 적어도 하나의 입사광에 대응되는 적어도 하나의 반사광을 금속층으로부터 적어도 하나의 광전 변환기로 유도하도록 구성된다.

특정 구체예에서, 입사광은 복수의 파장을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 광전 변환기는 입사 전자기 방사선을 전기 신호로 변환하여 하우징 내에 배치되고, 적어도 하나의 광전 변환기에 작동 가능하게 연결된 신호 처리기로 전송하고, 이에 다라 표면 플라즈몬 공명 각을 검출한다. 제1 광학 소자는 적어도 하나의 입사광이 적어도 약 20 °에 걸쳐 있도록 배치된다. 특정 구체예에서, 광전 변환기는 하나 또는 대안적으로 하우징 내에서 서로 이격되어 배치되는 두개 이상의 광전 변환기 장치를 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 적어도 하나의 반사광은 서로 이격된 각각의 반사각을 갖는 한쌍의 반사광 부분을 포함하고, 제2 광학 소자는 반사광 부분의 첫번째를 광전 장치 중 하나로 지향시키고, 반사광 부분의 두번째를 광전 장치의 다른 하나로 지향시키도록 구성된다.

멀티플렉서가 광전 장치의 하류에 배치될 수 있다. 일 구체예에서, 제1 광학 소자는 프리즘을 포함하고, 금속층은 프리즘의 표면에 배치되고, 프리즘은 서로에 대하여 제1 각도로 배향된 두개의 제1 표면을 포함하고, 제1 표면은 금속층에 대하여 상대적으로 각각의 제2 각도로 서로 배향된다. 두개의 제1 표면이 금속층의 입력 측 또는 상류 측에 배치되는 경우, 프리즘은 금속층의 출력 측 또는 하류 측에 위치하고, 서로 제1 각도로 배향되고, 금속층에 대하여 상대적으로 제2 각도의 각각의 하나로 배향되는 두개의 제2 표면을 더 포함한다.

제1 광학 소자는 2 개 이상의 레이저 광원을 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니고, 각각은 제1 표면들의 각각의 하나를 통하여 각각의 입사광을 센서 표면으로 지향시키도록 구성되고, 적어도 하나의 광전 변환기는 적어도 하나의 광전 변환기 장치를 포함한다. 또 다른 구체예에서, 제2 광학 소자는 적어도 하나의 전기-광 변환기 장치(예를 들어, 인접한 광-전기 변환 구성들의 단일 평면 어레이)를 구성하는 광전 변화기와 함께 광 조합기를 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또 다른 구체예에서, 제1 광학 소자는 각각의 광학 광 통로에 배치되고, 금속층 상 각각의 초점 선으로 수렴하는 각각의 광을 생성하는 복수의 마이크로 렌즈를 포함한다. 제2 광학 소자는 부수적으로, 마찬가지로, 각각의 초점 선으로부터 분산되는 각각의 광들을 집중시키기 위하여 각각의 광학 광 통로에 배치되는 복수의 마이크로 렌즈를 포함한다.

추가적인 구체예에서, 이하에서 더 구체적으로 설명될 것이지만, 제1 광학 소자는 예를 들어 디지털 마이크로미러 장치를 사용할 수 있는 스캐너를 포함한다. 시스템은 하나 이상의 비-SPR 검출 시스템을 더 포함할 수 있다. 상기 비-SPR 검출 시스템은 예를 들어, 형광 분광기, 적외선 분광기, 자외선-가시광 분광기, 임피던스 분광기, 반사율 분광기, 또는 사이클릭 볼타메트리를 사용할 수 있다.

시스템은 금속성 센서 표면과 함께 제공되는 센서 부를 갖는 표면 플라즈몬 공명 검출 장치를 위한 캡을 더 포함할 수 있다. 여기서 캡은 액체-밀착 접촉으로 센서 부 위로 삽입되도록 조정된 몸체부를 포함한다. 몸체부는 마이크로플루이드 주입구를 포함하는 적어도 하나의 모세관 회로, 주입구와 연통되고, 금속성 표면에 병렬도 배치될 수 있는 마이크로플루이드 챔버, 및 챔버와 연통하는 마이크로플루이드 드레인 또는 배출 채널을 포함한다.

캡의 몸체부는 센서부를 커플링하기 위하여 적용될 수 있고, 이에 따라 주입구 및 드레인 또는 배출 채널은 주변 환경과 연통된다. 모세관 회로가 제1 모세관 회로인 경우, 캡의 몸체부는 주입 채널, 주입 채널과 연통하고, 금속성 표면에 병렬로 배치될 수 있는 추가적인 마이크로플루이드 챔버, 및 추가적인 마이크로플루이드 챔버와 연통하는 추가적인 드레인 또는 배출 채널을 포함하는 제2 모세관 회로와 함께 형성될 수 있다. 그 후 캡은 추가적인 마이크로플루이드 챔버의 반대에 위치하는 주입 채널의 상류 말단에 배치되는 마이크로플루이드 저장부를 더 포함하고, 저장부는 기설정된 SPR 특징의 기준 용액을 포함한다. 저장부는 기준 용액을 저장부로부터 주입 채널 및 추가적인 마이크로플루이드 챔버로 이송하는 것을 가능하게 하는 액티베이션 구성, 트리거, 릴리스, 파손 수단 등과 함께 제공될 수 있다.

또한, 상기한 캡이 제공된다. 상기 캡은 또한 하나 이상의 비-SPR 검출 시스템을 더 포함하고, 상기한 바와 같이, 이는 형광 분광기, 적외선 분광기, 자외선-가시광 분광기, 리플렉턴스(reflectance) 및/또는 사이클릭 볼타메트리 및/또는 임피던스 분광기를 사용할 수 있는 전기화학적 특성을 검출하기 위한 시스템을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

또한, 표적 생물학적 또는 화학적 성분의 존재 및/또는 양을 검출하기에 충분한 조건 하에서 상기한 시스템에 기준 유체 및 시험 유체를 적용하는 것을 포함하는 시험 유체 내의 표적 생물학적 또는 화학적 성분의 존재 및/또는 양을 검출하는 방법을 제공한다.

특히, (a) 하우징을 갖는 표면 플라즈몬 공명 장치를 제공하는 단계, (b) 제1 평면 금속층을 포함하는 교체 가능한 모듈형 센서 부를 하우징에 부착시키는 단계, (c) 기준 유체를 상기 제1 금속층에 접촉하도록 배치하는 단계, (d) 이후 장치를 작동하여 기준 유체를 위한 제1 표면 플라즈몬 기준 각을 결정하는 단계, (e) 시험 유체를 상기 제1 금속층에 접촉하도록 배치하는 단계, (f) 이후 장치를 작동하여 시험 유체를 위한 제2 표면 플라즈몬 기준 각을 결정하는 단계, (g) 신호 처리기를 작동하여 제1 표면 플라즈몬 공명 각과 제2 표면 플라즈몬 공명 각으로부터 시험 유체 내에 표적 생물학적 또는 화학적 성분의 존재를 결정하는 단계, (h) 센서부를 하우징으로부터 제거하는 단계, (i) 제2 평면 금속층을 포함하는 다른 모듈형 센서부를 하우징에 부착하는 단계를 포함하는 검출방법을 제공한다. 기준 유체는 공기일 수 있다. 신호 처리기의 작동은 신호 처리기를 작동시켜 표적 생물학적 또는 화학적 성분의 농도를 결정하는 것을 포함할 수 있다.

기준 유체가 액체인 경우, 방법은 교체 가능한 모듈형 센서부 위로 교체 모듈형 캡을 하우징에 부착시켜 캡이 교체가능한 모듈형 센서부와 유체-밀착 접촉을 하도록 하는 단계를 더 포함한다. 제1 표면 플라즈몬 기준 각을 결정하기 위하여 기준 유체는 장치의 작동 전 캡 내의 저장부로부터 제1 금속층으로 유동 또는 전이된다. 시험 유체를 제1 금속층과 접촉하도록 배치하는 것은 시험 유체를 캡 내의 모세관 또는 마이크로플루이드 채널을 통하여 제1 금속층으로 유도하는 것을 포함한다.

방법은 비-플라즈몬 공명 수단 또는 보다 구체적으로 장치를 제공하고, 상기 시험 유체 내의 표적 생물학적 또는 화학적 성분의 존재 및 선택적으로 농도를 결정하고, 및 SPR 을 사용하여 얻어진 결과를 상기 비-SPR 수단과 비교하는 것을 더 포함한다. 보다 구체적으로, 장치의 작동 방법, 특히 SPR 검출장치의 작동방법을 제공하고, 장치는 액상 성분의 존재를 검출하기 위한 SPR 신호를 측정하는 장치이다. 장치는 하우징 및 하우징 내에 배치되고, 전자기 방사선 소스를 포함하는 제1 광학 소자를 포함하고, 및 하우징 내에 배치되고, 적어도 하나의 광전 변환기를 포함하는 제2 광학 소자를 더 포함한다.

장치는 또한 하우징 내에 배치되고, 적어도 하나의 광전 변환기에 작동 가능하게 연결되는 신호 처리기를 포함한다. 방법은 (i) 평면 금속층을 포함하는 센서부를 하우징에 부착시키는 단계, (ii) 기준 유체를 금속층과 접촉하도록 배치하는 단계, (iii) 이후 제1 광학 소자를 작동시켜 적어도 하나의 입사광을 층의 법선에 대하여 기설정된 범위의 각으로 금속층의 후방 측을 향하여 지향시키는 단계, (iv) 적어도 하나의 광전 변환기를 포함하는 제2 광학 소자를 작동시켜 기준 유체를 위한 반사각의 함수로서 반사 강도를 검출하는 단계, (v) 기준 유체를 위한 반사 강도를 인코딩하는 제1 전기 신호를 생성하는 단계, (vi) 신호 처리기를 작동하여 제1 전기 신호로부터 기준 유체를 위한 제1 표면 플라즈몬 공명 각을 검출하는 단계, (vii) 제1 공명 각을 저장하는 단계, (viii) 시험 유체를 금속층과 접촉하도록 배치하는 단계, (ix) 이후 제1 광학소자를 작동하여 적어도 하나의 입사광을 층의 법선에 대하여 기설정된 범위의 각으로 금속층의 후방 층을 향하여 지향시키는 단계, (x) 적어도 하나의 광전 변환기를 포함하는 제2 광학 소자를 작동하여 시험 유체를 위한 반사각의 함수로 반사 강도를 검출하는 단계, (xi) 시험 유체를 위한 반사 강도를 인코딩하는 제2 전기 신호를 생성하는 단계, (xii) 신호 처리기를 작동하여 제2 전기 신호로부터 시험 유체를 위한 제2 표면 플라즈몬 공명 각을 검출하는 단계, 및 (xiii) 신호 처리기를 더 작동하여 제1 표면 플라즈몬 공명 각 및 제2 표면 플라즈몬 공명 각으로부터 시험 유체 내의 표적 생물학적 또는 화학적 성분의 존재를 결정하는 단계를 포함한다.

적어도 하나의 입사광은 적어도 약 20 °에 걸쳐있다. 장치는 SPR 장치일 수도 있고, 도한 비-SPR 측정을 수행하는 장치 또는 대안으로 비-SPR 데이터(예를 들어, 형광, IR, UV/가시광, 전기화학 특성)를 생성하는 장치일 수 있다. 관련된 면에서, 방법은 적어도 하나의 입사광을 상기 금속층의 전방 측을 지향시켜 비-SPR 신호 또는 에너지 자극 소스를 생성시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 특정 구체예에서, 에너지 자극 소스는 전기신호, 마이크로웨이브, 초음파일 수 있다.

시스템은 관련 도면에서 도시되는 구체예들을 참조하여 예로서 보다 상세히 설명될 것이다. 이하 기술되는 구체예들은 단지 예의 방식으로 제시되는 것일 뿐, 발명의 개념을 특정 물리적 구성으로 한정하는 것을 의도하는 것은 아니다.

값의 범위가 제공되는 경우, 그 범위의 상한과 하한 사이의 각각의 사이 값, 문맥상 명확히 다르게 언급되지 않는 한 하한의 단위의 10분의 1까지, 언급된 범위에서 다르게 언급된 또는 사이의 값들은 본 발명의 범위에 포함된다. 이처럼 더 작은 범위의 상한 및 하한은 독립적으로 더 작은 범위 내에 포함될 수 있고, 또한 본 발명의 범위 내에 포함되고, 언급된 범위 내에서 어떠한 구체적으로 배제된 한계값의 대상이 된다. 언급된 범위가 한계값 중 한 또는 모두를 포함하는 경우, 이와 같은 포함된 한계값 모두를 제외하는 범위도 본 발명의 범위에 포함된다.

다르게 정의되지 않는 한, 모든 여기서 사용된 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 분야의 일반 당업자들에 의하여 일반적으로 이해되는 것도 동일한 의미를 갖는다. 특정 방법 및 여기서 기술된 것과 유사하거나 동등한 물질은 본 발명의 실시 또는 테스트를 위하여 또한 사용될 수 있고, 바람직한 방법 및 물질이 설명된다.

여기서 언급되는 모든 공개 문헌 및 특허는 그들 전체로서 레퍼런스로 포함된다. 여기의 어떠한 것도 본 발명이 기존 발명에 의하여 개시된 것보다 선행하는 것이 아니라고 동의하는 것으로 해석되지 않는다. 참고 문헌에 수록된 내용이 본 명세서와 모순되거나 불일치하는 경우, 본 명세서는 그러한 내용을 대신 할 것이다.

본 명세서 및 첨부된 청구의 범위에서 사용되는 단수 형태는 문맥상 명확하게 달리 지시하지 않는 한 복수 인용을 포함한다는 것을 알아야한다.

달리 지시되지 않는 한, 일련의 요소들에 선행하는 "적어도"라는 용어는 그 시리즈의 모든 요소를 지칭하는 것으로 이해되어야한다. 당업자는 일상적인 실험만을 사용하여 본원에 기술된 본 발명의 특정 구체예에 대한 많은 균등물을 인식 할 수 있거나 또는 확인할 수 있을 것이다. 그러한 균등물은 본 발명에 포함되는 것으로 의도된다. 본 명세서 및 후속하는 청구 범위 전반에 걸쳐, 문맥상 달리 요구하지 않는 한, "포함하다"라는 단어 및 "포함하는"및 "포함하는"과 같은 변형은 명시된 정수 또는 단계 또는 정수 또는 단계의 그룹을 포함하는 것을 의미하는 것으로 이해 될 것이고, 그러나, 다른 정수 또는 단계 또는 정수 또는 단계의 그룹을 제외하지는 않는다. 따라서 "포함하다", "갖는다"등의 용어는 확장성 있게, 또는 제한 없이 해석되어야 한다. 용어 "금속의 얇은 층 필름", "금속성 박막", "금속성 층", "금속층"은 같은 의미로 사용된다.

도 1, 4a, 5a는 수렴하는 입사광 12을 형성하고, 관심 대상 분석물(이온, 분자, 바이러스 입자, 등)의 존재를 정성적으로 검출, 및 선택적으로 정량적으로 검출하기 위하여 광을 굴절률 R1을 갖는 광학 기재 17(예를 들어 유리)에 증착된 금속의 박막 16의 후방 표면 14 또는 밑면으로 지향시키는 입력 광학부 10을 포함하는 SPR 시스템을 도시한다. 금속 박막의 상부 면과 접촉하고, 상부 면으로 정의되는 매질은 굴절률 R2를 갖는다. 분산되는 반사광 18은 출력 광학부 20에 의하여 포집되어 광전 변환기 22로 집중되고, 특히 픽셀화된 광학 구성들의 평면형 또는 2D 어레이를 갖는 전하 결합 장치에 집중된다. 상기하였고, 이하에서 더 자세히 설명될 것이지만, 도 1은 일반적인 SPR 시스템을 도시하고, 도 4a는 액상 용액 방울의 SPR 응답을 측정하는 광학 시스템의 다이어그램이고, 도 5a는 공기의 SPR 응답을 측정하는 광학 시스템의 다이어그램이다.

필드 휴대성

Cappo et al 에 의한 US Patent 7,395,103는 눈물막 내의 성분을 측정하기 위한 프로브로 사용되는 휴대용 핸드 헬드 SPR 장치를 기술하고 있다. 다른 것들은 의식적으로 그렇게 의도하는 것은 아니라도 그 크기에 기초하여 단순히 휴대성을 가질 수 있는 소형 SPR 시스템을 기술한다.

여기서 실험실 장치의 특성을 포함하고 및 초과하는 소형 핸드 헬드 SPR 시스템이 제공된다. 필드에서 SPR 과 같은 민감한 분석 장치를 사용하는 것은 이상적인 조건 미만에서 정확한 측정을 보장하기 위하여 특별한 주의가 필요하기 때문에, 실험실 버전의 향상된 버전이 필요하다.

본 소형 시스템의 블록 다이어그램이 도 2a에 도시되었고, 3차원 도면은 도 2b에 도시되었다. '전방 말단' 또는 센서부 110는 유닛의 하우징 112에 부착되고, 테스트 용액 또는 유체와 접촉하게 되고, 용액을 센서 표면 114에 전달하는 수단을 제공한다. 센서부 110는 센서 표면 114을 포함하고, 특히 이는 크롬의 얇은 층(~2 nm) 또는 금이 잘 접착될 수 있도록 하는 다른 하부 물질 위에 유리 상에 진공 증착된 50 nm의 금 층이다. '유리'는 작동 파장 내에서 투명한 임의의 다른 물질(예를 들어 플라스틱)일 수 있고, 이들은 들어오는 광의 입사각이 주어진 조건(굴절률, 센서 물질, 파장 등)에서 발생하는 SPR 현상의 범위 내가 되도록 반사 양상(전반사 하에서 작동하는 것들을 포함)을 갖는다. 하우징 112 내의 레이저 소스 116는 복조 레이저 광(interrogation laser beam)을 생성한다.

상류 또는 입력 광학 시스템 118은 공간 프로파일에서 레이저 빔(예를 들어, 타입 3.8 mm 또는 5.6 mm TO 패키지의 633 nm에서 가시 레이저 다이오드)을 조절하고, 빔을 감지면 또는 층 114로 전달하여 결합 또는 흡수된 분자를 복조하고, 및 이미징 광학부를 갖는 하류 또는 출력 광학 시스템 120은 반사광을 광-전자 센서(도 1에는 분리하여 도시되지 않음)로 또는 단색(단 하나의 파장 때문에), 고해상도("HD"), 작은 픽셀 크기(~ 1 마이크론)를 갖는 전하 결합 장치와 같은 초점면 어레이로 지향시킨다. 이와 같은 속성을 갖는 이미지 센서는 SPR 라인 이동이 매우 작은 정도에서도 검출될 수 있기 때문에, 농도에 있어 매우 작은 변화도 검출할 수 있는 매우 높은 친화성을 가질 수 있게 한다.

추가적으로, 전면 말단에 온도 센서 122가 장착되고, 이는 센서 표면 114 내 또는 주변의 하나 이상의 위치에서 온도 데이터를 수집하고, 열전 냉각기가 일정한 온도를 유지할 수 있도록 피드백 루프를 제공한다. 신호 처리 유닛 124은 마이크로프로세서, 컴퓨터, 또는 다른 전자장치에 의하여 구현되고, 및 출력 광학부 120의 초점면 어레이로부터 영상 이미지 신호를 수신한다. 소프트웨어는 신호 처리 유닛 124이 비가공 영상 이미지 데이터를 처리하여 정밀하게 SPR 각 최소치를 결정하도록 한다. 센서 122로부터의 온도 데이터는 실시간으로 SPR 최소값 계산에 도입되고, 측정 공정에 걸쳐 온도 변화를 수정한다.

추가적으로, 기준 유체(예를 들어 공기)로부터 결정되는 기준 신호는 메모리 126에 저장되고, 동시에 신호 처리기 124에 제공되어 신호 값 결과(예를 들어 농도)를 도출하는데, 이는 샘플 또는 표적 시험 유체로부터의 SPR 신호와 기준 유체의 신호 사이의 차이점을 보고함에 의하여 이루어진다. 신호 처리 유닛 124은 전송기 128에 의하여 무선으로 스마트폰 또는 인근의 컴퓨터(미도시)와 연결될 수 있고, 이를 통해 결과 보고, 기록 유지, 및/또는 추가적인 분석이 가능하다. 대안으로 또는 추가적으로, 장치는 신호 처리기 124에 연결된 디스플레이 130와 함께 제공될 수 있고, 이를 통해 테스트 결과를 사용자에게 보고하는 것을 제공할 수 있다.

실제로, 상기 특성 모드를 포함하는 핸드 헬드 유닛을 위하여, 대부분의 구성들은 각각의 필드에서 현재의 최신 기술 수준에 있는 소형 크기이다. 도 2b는 핸드 헬드 장치 내에 패키지화된 구성들의 3차원 모델을 보여주고 있고, 이는 도 2a에서 블록 다이어그램으로 도시되어 있다.

자가 기준화

SPR에서 사용되는 측정 기술은 주로 기준 또는 버퍼 용액에 대하여 상대적으로 수행된다. 다시 말해, 벤치 탑(bench top) SPR 장치로, 실험실에서 측정을 수행할 때, 유체가 튜브를 통하여 펌핑되고, 작은 유동 채널을 통하여 감지면과 직접 접촉하게 된다. 이와 같은 채널은 누출을 방지하기 위한 적절한 밀봉을 갖고 센서 표면(리간드가 접착되는 금속성 박막의 상부면으로 정의되는)에 걸치는 장치의 일부일 수 있고, 이는 '플로우 셀'이라고 한다. 그 후, 전형적인 측정은 버퍼 용액을 센서 표면 위로 흐르게 하고, 다음으로 측정될 유체를 흐르게 하는 것을 포함한다. 데이터 기록은 시간의 함수로 수행될 수 있고, 및 우선 신호는 버퍼를 위하여 얻어질 수 있고, 후에 테스트 하에 있는 유체를 위한 신호의 변화가 얻어진다. 센서 표면에 주입되는 후속 측정이 유사한 조성이나 더 높은 농도의 유체에 대하여 수행되는 경우, 각각은 농도에 비례한 신호에서 변화를 보여줄 수 있다.

처리된 데이터의 신호에 대한 변화는 SPR 각의 변화를 나타낸다. 측정된 각 용액의 농도가 알려져 있다면, 농도의 함수로서 SPR 응답은 기록될 수 있고, 미지의 온도가 동일 조건에서 측정될 때, 이의 농도가 결정될 수 있다.

일반적인 실험실 SPR 시스템은 규모가 크고, AC 파워가 필요하고, 데스크탑 컴퓨터에 연결되어 있고, 플로우 셀 시스템의 추가적인 결합을 갖기 때문에 필드에 잘 적용되지 않는다. 실험실 셋업과 비교하여 필드 휴대용 시스템에서, 플로우 셀 시스템은 추가적인 구성(펌프, 튜브)을 추가하기 때문에 편리하지 않고, 프로브의 팁에 있는 센서로 단순히 액체를 검사하는 것이 바람직하다. 그러나, SPR은 상대적인 측정을 하기 때문에, 농도를 측정하기 위한 일종의 기준선이 필요하다. 예로서, 물의 염분 농도를 정확도를 가지고 결정하고자 한다고 하자. 플로우 셀을 갖는 벤치탑 시스템에서, 정확한 염분 용액이 제조되고, 센서 표면을 가로질러 흐르고, 염분 농도에 따른 SPR 각 변화의 선형 시리즈의 데이터를 생성한다.

미지의 양이 감지면 위로 지나갈 때, 알려진 데이터 그룹 사이에서 미지의 데이터 포인트가 어디로 떨어질지를 추정함으로써, 미지의 농도를 경험적 데이터로부터 추론할 수 있다. 예를 들어, 10 mM의 소금물 단계에서, 500 mM 내지 600 mM 범위의 농도는 이 범위 내에서 SPR 각의 증가와 함께 데이터 포인트의 세트를 생성할 것이다. 만약 552 mM의 소금물의 미지 용액이 주입되는 경우, 이 데이터 포인트는 보정 용액의 550 mM에서 560 mM 사이에 놓이게 된다. 일정 정도의 데이터 처리와 함께, 미지 용액의 값은 예상될 수 있다.

필드 환경에서, 프로브를 버퍼 또는 보정 용액에 침지시키는 것은 가능하나, 매우 불편하다. 이는 2 단계의 측정 공정을 요구하고, 외부 용액을 가지고 다녀야 하며, 오염되지 않도록 해야 한다. 측정을 하기 전에, 센서는 용액과 접촉하도록 조절되고, 값이 장치에 의하여 읽혀지고 저장되고, 그 후, 실제의 측정이 센서를 미지 용액에 접촉시킴에 의하여 수행된다.

자가 기준화 또는 자가 보정 시스템은 특히 필드 휴대용 시스템에 장점이 있다. 기준 신호가 물(도 4a, 4b), 일종의 다른 용액, 또는 센서 표면을 둘러싸는 공기(도 5a, 5b)로부터 생성될 수 있기 때문에 이와 같은 것이 몇가지 방법으로 수행될 수 있다. 어떻게 SPR 신호가 감지면과 접촉하는 매질의 함수로서 변하는가의 예로서, 만약 굴절률 R3을 갖는 물이 센서 표면과 접촉하게 되면, SPR 현상이 발생하는 입사각은 센서 표면 법선에 대하여 55 도이다(도 4a).

이 각에서, 광은 거의 완전히 금속성 박막(예를 들어 금)에 흡수되고, 결과적인 반사는 거의 0의 강도를 보여준다. 예를 들어, 에탄올과 같이 매우 상이한 굴절률(R2)을 갖는 물자는 다른 유체(SPR 기준으로, 물의 지수 1.33과 에탄올의 지수 1.36은 매우 크고, 이는 SPR 측정이 주로 소수점 4 ~ 6 자리 변화로 제한되기 때문이다.)는 SPR 현상이 발생하는 입사각이 43 도 일 수 있기 때문에 신호 위치에 있어 많은 변화를 보여준다. 더 큰 굴절률을 갖고 이와 같은 변화를 초과하는 것은 43 도를 초과하는 신호를 생산할 것이고, 장치가 전형적인 동적 범위인 +/- 10 도의 범위를 벗어나도록 할 수 있고, 일반적으로 SPR 광학 시스템은 55 도를 중심으로 45-65 도로부터 SPR 각 내에서 전체적인 검출 범위를 갖는 예상 액체 검출로 설계된다.

SPR 은 또한 주변 매질이 공기일 때에도 발생할 수 있고, 이때 1.0에서 공기의 굴절률(도 5a에서 R2, 및 도 4a에서 물방울이 없는 상태에서)은 33 도에서 SPR 최소값을 보여주고, 이는 대부분의 액상 SPR 최소값과 거리가 멀다. 그러나, 이와 같은 공기로부터의 SPR 최소값 신호는 측정에 대하여 상대적인 보정 포인트로 사용될 수 있고, 측정 이전에 즉시 기록될 수 있다.

이와 같은 경우, SPR 시스템은 동시에 공기와 물로부터 SPR 신호를 수집하도록 설계되고, 상대적인 측정이 기준선으로 기능하는 공기와 함께 이루어진다. 이는 극단적으로 실용적이고 편리한 시스템을 제공한다: 새로운 센서가 필드 휴대용 장치에 삽입되자 마자, 주변 공기로부터 기준 신호를 즉시 얻을 수 있고, 그 후 관심 대상의 분석물의 측정을 수행하게 된다. 이와 같은 두개의 신호 사이의 차이는 보정 데이터 세트(SPR 공기 신호와 분석물의 증가하는 농도의 SPR 신호 사이의 차이로 구성됨)와 비교되고, 미지의 농도가 결정된다.

자가-기준화 시스템의 다른 장점은 장치 내에서 센서 광학부를 유지하기 위하여 사용되는 기계적 시스템과 센서 광학부의 제조 공차에 관한 것이다. 플루오 셀 시스템에서, 센서가 하드웨어에 물리적으로 개입하지 않고 중간에 세척함에 의하여 복수의 실험을 수행하기 위하여 사용될 수 있는 벤치탑 시스템과는 달리, 필드 휴대용 시스템에서, 센서 표면을 세척하기 위한 어떠한 수단도 없는, 플로우 시스템에 없기 때문에 임의의 측정 이전에 센서는 주로 교환된다는 점이 고려된다. 이는 상대적인 측정이 자가-기준화 시스템 없이는 보다 더 어렵다는 것을 의미하고, 거기서 센서의 제거 및 삽입은 SPR 신호의 변화로 이해될 수 있다. 왜냐하면 상기의 변화는 특히 매우 작기 때문이다. 다시 말해, 분석물의 측정을 위하여 하나의 센서를 기준 신호를 위하여 사용하고, 이를 제거하고 다른 센서를 삽입하여, 신뢰성 있는 측정을 할 수 없다.

보다 명확하게 장점을 제시하기 위하여, 필드 휴대용 장치로 분석물의 두가지 농도를 측정하는 것을 고려하면, 플로우 셀 시스템이 없는 이와 같은 측정의 각각에서, 및 필요한 편리성으로서, 센서는 두번째 측정을 위하여 새로운 것으로 교환되어야 한다. 공정은 다음과 같을 것이다: 장치를 키고, 새 센서가 오염 방지 패키지로부터 개방되고, 장치에 삽입된다.

장치는 공기 신호 및 분석물(1) 신호를 수집한다. 상기 센서는 제거되고, 패기되고, 공정은 공기 신호와 분석물(2) 신호를 수집하는 두번째 새로운 센서로 반복된다. 실제로, SPR 각의 변화는 서로 가까운 농도를 갖는 두개의 농도와 비교할 때 매우 작다. 자가-기준화 공기 신호 없이, 하나의 센서를 제거하고, 새로운 센서를 삽입하는 행동은 측정을 망칠 수 있고, 각 측정으로부터 나온 두개의 SPR 신호는 이들의 농도와 아무런 관련성이 없을 수 있다.

센서를 제거하고 새로운 센서를 삽입하는 것은 제2 표면이 제1 표면과 정확이 동일한 위치에 위치하도록 할 수 있고, 변위되거나 또는 기울어질 수 있다(센서 자체가 이를 발생시킬 수 있는 제조 허용 오차를 갖는다.). 결과적으로, 센서 표면에 부딪치는 빛은 첫번째 센서로부터 상이한 각일 것이고, 따라서, 반사각 또는 SPR 각은 첫번째에 상대적으로 농도 변화를 대표하지 않을 것이고, 또한 바람직하지 않은 오정렬 정보를 포함할 것이다. 제조 공차가 0.1 mm 보다 더 우수하게 작게 유지되지만, SPR 각에서의 변화는 관심 대상의 농도의 전형적인 변화에 있어 소수점 3 내지 4번째 자리 정도의 수준이다. 지나치게 엄격한 공차는 달성하기 어렵고 비실용적이기 때문에, 자가-기준화 시스템이 필요하게 된다.

SPR 공기 신호와 물의 범위 내에 있는 신호를 동시에 수집할 수 있는 실질적인 시스템에 대한 과제는 광학 시스템 및 검출 시스템에 대한 요구와 관련되어 있다. 물에서와 공기에서의 SPR 신호의 차이는 매우 크고, 입사광의 각도 확산과 직접적으로 관련되어 있다.

현대적인 SPR 시스템을 설계함에 있어서, 도 1을 참조하면, 금속성 박막층 16은 굴절률 R1을 갖는 유리 17에 50 nm의 두께로 진공 증착되고, 후방 측 또는 하방 측 14(전방 측 또는 상부 측 또는 금속성 박막 측 24은 리간드가 부착되고 분석물이 접촉하는 곳임)으로부터 단색광(또는 슈도-단색광)으로 복조된다. 금속성 박막 표면의 하부 측으로 입사하는 특정 각에서, SPR 현상이 발생하고, 그 각에서의 모든 입사광은 금속성 박막, 예를 들어 금 박막으로 흡수된다.

R2 굴절률로 샘플을 측정할 때, SPR 발생 각("SPR(θ)")은 미지이고, 관심 대상의 파라미터이다. 초기 SPR 시스템은 수개의 각에서 단일 레이저 광을 스캔하여 센서 표면을 조사하고, SPR(θ), 즉, 반사광의 강도가 거의 0으로 감소하는 각을 결정하였다. 최근의 전형적인 시스템은 금속성 박막 16의 후면 측 14에 충돌하는 수렴 광을 사용하고, 수렴 광추면 또는 개구수(NA=sin(θ/2)) 범위 내의 모든 각을 조사한다. 이상적으로 광추면은 물, 용매, 공기, 및 가스 등을 위하여 기재되는 SPR(θ) 각을 커버하고, 최고의 유연성을 제공하게 된다. 광학적 구성의 크기, 복잡성 및 비용들에 대한 고려뿐만 아니라 유한한 광추면이 요구되기 때문에, 실질적인 제안이 이와 같은 사실을 방지하게 된다.

매우 넓은 커버리지의 각도를 갖는 고품질 수렴 빔 12을 생산하는 것은 쉬운 일이 아니다. 더욱이, 전형적으로 2차원 검출기 어레이(예를 들어 CCD 또는 CMOS 카메라)인 검출 시스템은 특정 크기(예를 들어 1/2" CCD 는 4mm x 6mm)로 생산되고, 일단 재 집중된 넓은 각 반사광은 상대적으로 작은 검출기 영역을 넘어 채우게 된다. 이는 검출기 22에 맞추기 위하여 이미지를 축소시키는 것에 의하여 압축 광학계로 보정될 수 있으나, SPR 신호 이미지의 이동이 더 적은 픽셀을 커버하기 때문에 해상도가 떨어질 수 있다.

이와 같은 문제를 해결하기 위하여, 합리적인 콘 각도(cone angle) (~NA=0.2)를 갖는 연구 기반 SPR 시스템은 반사 이미지를 캡쳐하기 위하여 센서 표면의 전면 상의 초점 위치에 대하여 SPR 프리즘을 실제로 회전시킬 수 있고, 동시에 검출기를 회전(반사 때문에 2X 속도로)시킬 수 있다. 이는 사실상 대부분의 SPR(θ) 및 당연히 공기 및 액체로부터의 캡쳐를 가능하게 한다.

하지만, 소형 핸드 헬드 휴대용 시스템은 움직이는 부품과 같은 사치를 감당할 수 없다. 장치의 넓은 동적 범위(SPR(θ)의 넓은 범위)를 가능하게 하는 SPR 시스템 내의 입사 및 반사광의 넓은 각 확산을 용이하게 할 수 있는 광학 시스템 및 검출 시스템의 여러가지 구성들이 존재한다. 개시되어 있는 다른 구성들은 동적 범위 훨씬 밖의 신호(예를 들어, 물에 가까운 굴절률을 갖는 액체의 동적 범위 밖의 공기 신호)를 캡쳐하는 추가적인 이익을 갖는 통상적인 동적 범위를 가능하게 한다. 입사광의 유효 각 확산은 공기 기준 신호(굴절률 R2=1.0) 및 액상 테스트 샘플 신호(굴절률 R3)를 캡쳐하기에 충분하다.

도 3에 도시된 바와 같이, SPR 신호는 검출기 평면 상 다른 밝은 부분 내에서 어두운 선으로 보여진다. 어두운 선은 금속성 박막으로의 빛의 흡수를 나타내고, 밝은 부분은 금속성 박막의 하부 측으로부터의 빛의 다른 각도를 반영한다. 도 4a 및 4b에 도시된 바와 같이, 순수 물(R3=1.33)로부터 SPR 신호를 캡쳐하는 것은 약 55 도의 입사각(표면 법선에 대하여)을 요구하고; 공기를 위하여 약 33 도(도 5a 및 도 5b)를 요구한다. 이는 입사광의 각 범위가 적어도 약 20 도, 또는 대안으로 적어도 약 22도 또는 적어도 약 28 도일 필요가 있다는 것을 의미한다. 이는 개구수 0.24를 시사한다. 핸드 헬드 장치는 소형이므로, 레이저 빔의 직경은 ~ 2 mm이고, 빔의 수렴을 생성하기 위한 초첨 렌즈는 적어도 이 직경일 것이다. 단순한 기하학으로부터, NA 0.24를 사용하는 이 렌즈의 초점은 f = 4 mm 이고, f/# = 2일 것이다. 이는 만약 단순한(단일 구성) 렌즈가 사용되는 것이라면 상대적으로 빠른 광학 시스템이고, 이와 같은 성능은 최종 이미지 품질을 나쁘게 할 것이다. 복수 구성 렌즈가 수차를 보정하기 위하여 필요할 수 있다.

도 6a 와 6b는 출력 신호를 멀티플렉서 306(MUX)에 공급하는 이중 검출기 302 및 304를 갖는 시스템 300을 도시한다. 시스템 300은 예를 들어 공기를 위한 SPR 신호(R2=1.0) 및 용액을 위한 SPR 신호(R3가 R2를 대체함) 모두를 커버할 수 있는 충분히 큰 수렴 각을 갖는 것과 같은 F/2 광학 시스템을 위하여, 잘 보정된 입력 및 출력 광학부 308 및 310을 포함한다. SPR 광학 시스템이 수렴 또는 입력 빔 316을 집속된 라인을 금속성 박막 318의 하부 측으로 전송하는 광학 기재 317로 생성하기 때문에 원통형 렌즈 312 및 314가 통상적으로 사용되고, 입력 및 출력 광학부 308 및 310은 복수 구성(이중, 또는 삼중) 렌즈, 또는 심지어는 비실린더형(원통형에 해당하는 비구면) 렌즈 312, 314를 포함한다.

충분히 많은 수렴 각을 센서 표면 318에 캐스팅(casting)하는 입력 빔 316과 함께, 반사는 대칭 형상의 발산하는 출력 빔 320을 생성하기에 동일하고 반대가 되고, 출력 광학부 310에 의하여 이와 같은 빔의 집중은 상대적으로 큰 직경, 통상적인 검출기 규격(CCD 또는 CMOS 센서)보다 큰 직경을 생성하게 된다. 반사광의 압축이 추가적인 렌즈(인버스 빔 확장기)에 의하여 이루어질 수 있으나, 해상도가 떨어질 수 있다. SPR 신호의 캡쳐는 2 개의 2차원 이미지 센서 또는 검출기 302 및 304에 의하여 수행되고, 이 중 하나는 공기로부터의 기준 SPR 신호(R2=1.0)를 위한 것이고, 하나는 테스트 하의 용액(R3)522으로부터의 SPR 신호를 위한 것이다. 두가지 이미지 신호는 멀티플렉서 306에 의하여 조합되고 신호 처리기(124, 도 2a 및 2b)로 제공된다.

도 7a 및 7b는 단일 이미지 검출기 352와 광학 광 조합기 354를 갖는 시스템 350을 도시한다. 복수 구성 입력 광학부 356은 수렴하는 입력 빔 358을 굴절률 R1을 갖는 광학 기재를 통하여 금속성 박막 362의 하부 측 360으로 지향시키고, 발산되는 출력 빔 364은 복수 구성 출력 광학부 366에 의하여 집중되어 굴절률 R2(예를 들어 공기)를 갖는 기준을 위한 SPR 신호와 이 바로 직후에서 굴절률 R3을 갖는 시험 유체(예를 들어 액상 용액)를 위한 SPR 신호를 담고 있는 넓은 평행 빔 368을 형성한다. 빔 368은 광학 광 조합기 큐브(빔 스플리터)를 사용하여 광학적으로 조합된다.

도 8에 도시되어 있는 대안적 접근에서, 굴절률 R1을 갖는 광학 기재인 센서 프리즘 406의 입력 측 상의 내부적 반사면 또는 표면 402 및 404는 수렴 빔 또는 입력 빔 408을 금속성 박막 410의 하부 측으로 전송하고, 복합적이고 상대적으로 각이 진다. 금속성 박막의 반대 측 또는 상부 측은 굴절률 R2와 접촉된다. 이중 표면화된 입력 측은 공칭 33 도의 입사각에서 입력 빔 408의 제1 부분 412과 공칭 55 도 입사각에서 입력 빔 408의 제2 부분 414를 전송할 수 있다. 센서 프리즘 406의 출력 표면 416 및 418은 입력 표면 402 및 404의 거울상이고, 검출기 어레이 420에 구별 가능한 거리 426로 서로 떨어져 있는 R2 및 R3의 굴절률을 갖는 샘플에 의하여 생성되는 2 개의 구분되는 SPR 신호 422 및 424를 전달한다.

입력 빔 408은 이중 소스 빔 428 및 430으로부터 생성될 수 있다. 이 경우, 하나의 광원 432은 라이트 빔 428을 SPR 프리즘의 프리즘 면 또는 표면 402로 전달하여, 금속성 박막 410의 법선에 대하여 33 도의 입사각을 갖는 빔의 부분 412을 생성한다. 제1 소스 432로부터 수평으로 이격된 다른 광원 434(선택적으로 단일 소스는 2 개로 분리됨)라이트 빔 430을 프리즘 면 또는 표면 404으로 전달하여, 금속성 박막 법선에 대한 빔 부분 414의 입사 각이 55 도이다. 대안적 접근에서, 입력 빔 408은 단일 빔이고, 하나의 샷으로 양 면 402와 404을 모두 커버하기에 충분히 넓다. 기준을 위한 하나와, 측정을 위한 하나를 포함하는 두 개의 SPR 신호는 동시에 검출기 어레이 420로 전송되고, 결과 측정과 두개 사이의 픽셀 거리에 있어 차이가 포함될 수 있도록 처리되고, 보정 테이블과 비교될 때, 미지 샘플의 농도는 정확하게 측정될 수 있다.

공기로부터의 SPR 신호를 사용하기보다, 개별 보정 용액이 장치의 헤드 부분 내의 바이알에 보관될 수 있고, 이는 측정 직전에 개방될 수 있다. 이와 같은 접근은 도 11에서 도면번호와 함께 이하에서 설명되는 마이크로플루이드 딥 시스템에 보다 적절하다.

또 다른 구체예에서, 도 9a 및 도 9b에 도시된 바와 같이, 자가-기준화를 위한 기술은 금속성 박막 표면 453로부터 빛을 전달하고 캡쳐하기 위한 입력 및 출력 렌티큘러(lenticular) 마이크로렌즈 어레이 450 및 452를 포함한다. 집중된 라이트 빔 456은 렌티큘러(원통형) 렌즈 어레이 450에 입력된다. 이는 수렴하는 빔 458, 460, 462를 만들어 내고, 금속성 박막 표면 454의 하부 측에 복수의 집속된 라인 이미지를 생성하고, 이들 각각은 자체의 SPR 신호를 생성하기 위하여 이용 가능하다. 반사시에, 각각의 발산 빔 464, 466, 468은 렌티큘러 어레이 452로 보내지고, 이는 각 빔들 각각을 470, 472, 474에서 집중시키고, 복수의 SPR 신호를 검출기 476으로 보낸다.

SPR 시스템이 일반적인 크레취만(Kretschmann) 구조에 세팅되는 경우, 렌티큘러 어레이 450의 디자인은 각 렌즈 구성 450이 기울어진 표면에 적응하기 위하여 증가하는 초첨 거리를 가질 것을 요구하게 된다. 적절한 구별화를 통하여, 하나의 빔 458, 460, 또는 462는 기준 샘플(굴절률 R2를 갖는 공기로 도시됨)을 위하여 사용될 수 있고, 나머지는 R3 및 R4의 굴절률을 갖는 테스트 샘플 476 및 478을 위하여 사용될 수 있고, 이들은 도 9b에서 SPR 기준 신호 480 및 테스트 샘플 신호 482 및 484를 생성한다. 실제로, 렌즈 구성 450 및 452의 수에 따라, 서로 다른 용액의 복수의 측정이 기준 신호와 함께 얻어질 수 있다. 이는 이하 설명되는 마이크로플루이드 시스템 디자인의 적절한 수정으로 가능해질 수 있고, 각 채널을 위한 특이성(SPR 신호)을 얻기 위하여, 분리된 리간드는 금속성 박막 표면 454의 서로 다른 부분에 적용된다. 이를 통하여 단일 측정 공정에서 복수의 분석물의 검출이 가능하게 되고(도 9b), 이 모든 것은 동시에 수행된다.

정확히 동시에 모든 SPR 신호를 캡쳐하는 것은 정확한 측정 시스템의 중요한 일 면임이 입증될 수 있다. SPR 이 매우 민감한 기술이기 때문에, 외부 요인(예를 들어, 활성 오염이 지역적 환경 때문에 발생하는 등)의 결과로 경시적으로 기준 또는 샘플에 변화가 발생하는 경우, 동시적 신호 캡쳐는 시간 관련 변수를 제거하게 될 것이고, 기준 또는 서로에 대한 신호의 비교를 통하여 보다 정확한 측정을 얻게 될 것이다.

움직이는 구성은 비실용적으로 보일 수 있지만, 필요한 범위를 커버하는 스캐너는 디지털 마이크로미러 장치(DMD)를 채용할 수 있다. 이는 작은 반도체 장치로, 개별적으로 회전할 수 있는 마이크로 크기의 미러의 사각형 어레이를 갖는다. 이 경우, 레이저는 DMD에 충돌하고, 전자장치는 마이크로미러를 조절하여 기준으로부터 샘플까지의 SPR 신호에 대한 각 범위에 걸쳐 빔을 스캔하게 된다.

자가-기준화의 다른 수단은 SPR 소스 빔 내의 복수의 파장을 사용하는 것일 수 있다. 흡수가 일어나는 SPR 각은 파장에 의존하게 된다. 예를 들어, 적생 및 녹색 레이저 모두가 광 조합기 큐브의 사용에 의하여 중첩 이사광에 사용되고, 적색을 위한 SPR(θ)은 녹색의 그것과 상이할 수 있고, 도 7b에 도시된 바와 같이 이미지에서 2개의 어두운 라인을 형성할 수 있다. 하지만, 두개의 어두운 라인 사이의 분리가 넓은 테스트 하의 용액에 대한 공기 또는 다른 보정 용액과는 달리, 서로 다른 파장으로부터의 신호는 거의 서로 중첩된다. 거리는 파장에 따라 달라지지만(자외선으로부터 가시광을 지나 적외선까지 임의의 파장이 SPR에서 사용될 수 있음), 실제로, 각각으로부터 두개의 신호를 포착하는 것이 어려울 수 있다. 그럼에도 불구하고, 시스템을 통하여 두개의 파장을 적용하는 것은 장치 비용을 크게 증가시키지 않으면서 유용한(또는 중첩되는) 보정 정보를 제공할 수 있다.

딥 프로브

얻어진 액체를 테스트하기 위한 필드에서 통상적으로 사용되는 핸드 헬드 SPR 시스템을 위하여, 핸드 헬드 팁을 액체에 침지시킬 수 있는 것은 바람직하다. Cappo et al의 US 특허 7,395,103에 기술되어 있는 SPR 프로브는 접촉형 프로브로, 즉, 센서 표면이 습윤 표면과 일시적으로 접촉하도록 되어 있고, 측정은 접촉시에 수행된다. 접촉 프로브는 예를 들어 샘플이 비이커에 꽉 차 있는 경우 어려운 점이 있다. SPR 센서 표면은 주로 평면이고, 이를 경계짓는 것은 입사광을 SPR 이 발생하기에 적절한 각으로 지향시키기 위한 일종의 반사 면이다. '103 특허는 두개의 경사진 표면을 갖는 센서 표면을 기술하고 있고, 이는 전반사 하에서 빛을 센서로 전달하고, 이를 검출기로 반사시키는 미러 표면으로 사용된다. 만약 이 감지면을 샘플 비이커에 침지시키면, 액체와 센서 표면만의 접촉이 발생하게 된다. 만약 액체가 상기 면에 접촉하면, 이는 전반사를 깨게 되고, 빛은 더 이상 감지면 또는 검출기로 반사되지 않는다. 이와 같은 경사진 표면이 반사 박막(예를 들어, 알루미늄으로)으로 코팅되는 경우에도, 성분들의 작은 크기 및 밀착성 때문에, 상기 면 또는 센서 프리즘의 측부에 접촉한 액체는 모세관 현상에 의하여 장치로 흘러들어갈 수 있고, 장치에 치명적인 손상을 유발하게 된다.

일반적이고 상업적인 SPR 장치는 주로 '플로우 셀'을 사용하여 액체를 펌프 시스템으로 구성된 센서 표면으로 이동시키는데, 이때 펌프 시스템은 유체를 튜브를 통하여 비어커로부터 감지면과 직접 접촉하는 일 개방 말단을 갖는 작은 셀 또는 챔버로 이어지는 포트로 전달한다. 액체는 펌프의 작동으로부터 챔버를 통하여 배출 포트로부터 나와 튜브 및 일반적으로 폐기 컨테이너로 흘러 들어간다. 이와 같은 시스템을 사용하여, 실험자는 연속적으로 수 종의 액체를 표면을 가로질러 흐르게 할 수 있고, SPR 신호에서의 동적 변화를 기록할 수 있으며, 이를 통하여 이와 같은 것들을 분자 결합 및 분해와 연관지울 수 있다. 서로 다른 액체들은 다양한 시스템을 통하여 변경될 수 있고, 또는 펌프가 작동하는 동안 단순히 서로 다른 비이커에 튜브를 배치함에 의하여 변경될 수 있다. 이는 화학 실험실에서의 추가적인 편리성을 제공하고, 장치들은 블랙 박스가 되고, 단지 튜브에 들어가는 화학물질 만이 관심의 대상이다.

딥 프로프로 사용되는 핸드 헬드 SPR 시스템을 위하여, 이를 달성할 수 있는 하나의 방법은 핸드 헬드를 튜브와 챔버를 갖는 플로우 셀 시스템에 연결하는 것이다. 튜브는 비이커에 삽입되고, 일종의 펌프 시스템이 적용될 수 있다. 하지만, 필드에서는, 구성들을 최소화하고, 필요한 전기력을 최소화하고, 실험을 구성하는 시간을 최소화하는 것이 요구된다. 유체를 유동시킬 수 있고, 샘플을 감지면으로 이동시킬 수 있고, 측정을 하며, 이 모든 구성이 소형화된 크기를 갖는 올-인-원 시스템이 매우 바람직하다.

일 대안이 도 10에 도시되어 있고, 이는 굴절률 R1을 갖는 센서 프리즘 504 위로 슬립(slipped)하는 '노즈-콘(nose-cone)' 또는 캡 부재 502를 보여준다. 캡 부재 502는 적어도 하나의 마이크로플루이드 통로 506를 포함하고, 이는 액체를 굴절률 R2를 갖는 박막 금속성 표면 508의 상부 측으로 전달하기 위하여 구성된다. 캡 502은 플라스틱 부분으로, 일반적인 수단으로 작은 모세관 구멍을 갖고 제조되고, 측정 후에서는 폐기될 수 있는 폐기 가능한 부재일 수 있다. 캡 부재 502는 도 10에 도시된 바와 같이, 전체의 핸드 헬드 SPR 시스템(미도시) 또는 이의 양호한 부분을 적어도 센서 프리즘 504 위로 액상-밀봉 밀착으로 캡슐화하여, 어떠한 액체도 장치의 하우징 510을 관통할 수 없도록 한다.

마이크로플루이드 통로 506는 모세관 구멍으로, 테스트 용액(굴절률 R2를 가짐)을 박막 금속성 표면 508 상 초점 라인에 또는 그 위에 위치하는 작은 챔버 512로 이동시킨다. 캡 부재 502는 공기를 배출하고 용액을 배출하기 위한 마이크로플루이드 통로 514를 더 포함한다. SPR이 온도 의존적이기 때문에, 온도 센서 및 열전 냉각기 516(및 도 2에서는 122)가 SPR 프리즘 504 밑에 배치되어 온도 데이터를 실시간으로 신호 처리기(예를 들어 도 2에서 124)로 제공하고, 최종 결과를 수정한다.

기준 신호는 기준 용액을 금속성 박막 표면에 제공함에 의하여 얻어질 수 있는데, 금속성 박막 표면 상 두개의 면이 복조(interrogated)됨에 의하여 이를 얻게 된다. 예를 들어, 상기한 렌티큘러 렌즈 시스템에서, 하나의 채널(초첨 라인)은 굴절률 R3의 테스트 용액을 위한 그 자체의 마이크로플루이드 통로를 갖고, 다른 채널은 R2의 굴절률을 갖는 기준 용액을 위한 분리된 마이크로플루이드 통로를 갖는 다른 채널을 갖는다. 도 11에 도시된 바와 같이, R2 굴절률의 기준 용액은 작은 파쇄 가능한 바이알 522 내의 노즈-콘 형태 캡 부재 520 내에 위치될 수 있고, 바이알을 깨기 위하여 플런저 524를 미는 것에 의하여 배출된다. 용액은 모세관 구멍 526 밑으로 이동하여 금속성 박막 표면 530에 인접한 챔버 528로 이동하고, 테스트 용액(굴절률 R3) 챔버 532로부터 고립된다.

실질적인 구체예에서, 원격 위치에서 물을 샘플링하기 위하여, 샘플은 테스트 비이커에 담겨지고, 큰 미립자들을 위하여 여과되고, SPR 핸드 헬드는 비이커로 삽입된다. 용액은 모세관 현상에 의하여 작은 구멍으로 끌어당겨지고, 센서로 이동된다. 마이크로플루이드 시스템은 배출, 자가-폐쇄를 포함하도록 설계되어, 공기 방울을 형성시키지 않으면서 하나의 액체에서 다른 액체로 침지시킬 수 있다.

다른 분석 기법의 통합

상기한 바와 같이, 화학 실험실은 종종 서로 다른 기법을 사용하여 얻어진 동일한 결과를 도출할 수 있는 보완 장비들을 갖고 있다. 때때로, 결과가 중첩되기도 하고, 도는 하나의 장비가 제공하지 못하는 정보를 다른 장비가 제공할 수도 있다. 임의의 분석 장비를 사용하는 경우, 결과에 대한 확신을 보장하기 위하여 다른 기법을 사용하는 다른 장비에 대한 접근을 갖는 것이 유용하다. 매우 낮은 농도를 측정할 수 있는 많은 서로 다른 장비들이 있다. 그러나, 때때로, 다른 장비로 측정을 확인하거나, 또는 장비의 공정 부분이 의도한 바와 같이 진행되었는지 확인하는 것이 필요하다.

예를 들어, 센서 표면이 리간드, 단백질 또는 다른 화학적 조성물과 함께 준비되는 SPR 시스템에서, 리간드가 표면에 결합되어 있는지 여부에 대하여 확신할 수 없다. 리간드가 센서 표면에 결합되지 않은 경우, 측정은 무의미하다. 예를 들어, 보론산(리간드)는 주로 당 센서로서의 사용을 위하여 티올 화학을 통하여 SPR 센서 표면에 결합된다.

리간드를 결합시키는 공정은 장시간동안 센서 표면에 수종의 화학물질을 적용하고, 마지막 층은 보론산인 자가 조립 단분자층을 형성하는 것이 요구된다. 관심 대상의 분석물을 갖는 리간드를 테스트하고, 유효한 또는 혼란스러운 결과를 얻는 것을 제외하고, 보론산이 실제로 센서에 부착되었는지를 알 수 있는 방법은 없다. 센서 표면에 보론산이 결합되었는지를 확인하는 하나의 방법은 또 다른 분석 장비, 예를 들어 x-레이 광전자 분광기(XPS)로 준비된 표면을 분석하는 것이고, 이 장비는 표면의 원소 조성을 측정할 수 있다. 리간드가 SPR 센서 표면에 부착된 경우, 장비는 이 경우 보론의 높은 농도 관련 스펙트럼(spectra)를 보여줄 것이다. 리간드가 실제로 센서 표면에 결합되었다는 이와 같은 정보를 갖게 되면, 센서가 기대치 못했던 결과의 원인인지에 대한 어떠한 우려도 제거될 수 있고, 적절치 않게 준비된 센서를 갖고 테스트하는 동안 낭비되는 실험 시간을 줄일 수 있다.

다른 분석화학적 기법을 통합하는 것은 측정에 대한 확신을 돕기 위하여 추가적인 또는 중첩되는 데이터를 제공함에 따라 필드 휴대용 시스템에 큰 장점을 제공한다. 특정 구체예에서, 형광 분광기는 리간드/분석물 화학이 사용될 수 있다는 점에서 SPR 과 일유 유사성을 갖는 일반적인 기법이다. 실제로, 동일 리간드가 사용될 수 있으나, 형광 분광기에서 리간드는 용액에 용해되고, 분석물과 반응한다. 특정 파장(예를 들어 자외선)의 빛으로 조사될 때, 용액은 일반적으로 넓은 스펙트럼에서 다른 파장으로 발광하면서 형광을 낸다. 스펙트럼을 필터링하고, 예를 들어 청색 및 녹색 광의 강도를 확인함에 의하여, 일반적으로 상대 강도의 비율이 취하여 지고, 이로부터 분석물의 농도를 추론할 수 있다. 형광 분광기와 SPR 분광기의 차이점은 SPR 의 경우 표면에서 형광이 이루어지는 반면, 형광 분광기는 용액 내에서 이루어지고, SPR 이 본질적으로 더 민감하다.

SPR 및 형광 분광기가 리간드/분석물 화학 기법에 공통점을 갖는다는 사실은 SPR 및 형광 모두를 갖는 조합 장비로 이어진다. SPR에서 센서 표면은 후면(빛이 유리기판을 통하여 금속성 표면으로 지나가 반사됨)으로부터 조명되고, 반면, 형광에서는 센서가 전방 측(빛이 금속성 표면에 부딪치고, 이로부터 반사되고, 기판을 관통하지 않음)으로부터 조명된다. 도 10에서 도시된 바에 따른 캡 502을 갖는 핸드 헬드 장치에서, 이 부분은 형광 분광기의 구성들, 예를 들어 작은 UV 소스(예를 들어, 발광 다이오드(LED)), 생성된 형광 스펙트럼을 분리하기 위한 밴드패스 필터, 및 관심 대상의 파장의 상대 강도를 측정하기 위한 전자 검출기를 수용하기 위하여 연장될 수 있다.

1 mm 사각형 보다 조금 더 큰 정도에서도 얻을 수 있는(예를 들어 Phillips Lumileds Luxeon p/n LHUV-0385) LED 소스의 첨단 기술, 및 거의 비슷한 크기에서 통합되는 2차원 어레이 검출기(예를 들어, Omnivision p/n OV07191-A20A, 640 x 480 CMOS 이미지 센서)를 고려하면, 센서에 결합된 리간드를 포함하는 SPR 시스템과 연결되어 사용될 수 있는 전체 형광 분광기를 캡 502에 설치하는 것이 가능하다. 형광 신호로부터 반사된 빛은 경제성을 고려하여 또한 미러의 시스템을 통하여 SPR 시스템에서 사용되는 2차원 어레이로 보내질 수 있다. 이 경우, 두개의 구분되는 측정은 동일 샘플에 발생되고, 이는 1) 리간드가 금속성 표면의 상부에 위치하는 용액 내의 분석물과 반응하고, 용액은 UV 광이 조사될 때 형광을 발광하고, 2) 리간드와 분석물은 금속성 표면 상에서 반응하여 SPR 공명 각의 변화를 초래하는 것이다.

이와 같은 이중 사용 시스템은 측정이 거의 동시에 서로 다른 두개의 기법으로 수행되기 때문에 매우 강력하다. 명백한 장점은 단일 샘플 준비, 단일 센서 준비, 및 보다 비교가능한 결과이며, 이는 다른 방법의 경우 일관되지 않는 결과(예를 들어 온도)를 유발할 수 있는 임의의 변수가 정확히 동일한 시간에 고려되기 때문이다. 즉각적으로 명확하지 않은 장점도 발생할 수 있다.

다른 분석 장비도 핸드 헬드 SPR 장치에 통합될 수 있고, 형광에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 광대역 광학 소스가 표면 및 반사광으로 전달되고, 반사광이 파장의 함수로 측정되는 다른 분광 기법; 특정 파장은 조성을 나타내는 표면 샘플에 의하여 흡수된다. 방사선의 소스는 자외선, 가시광선, 또는 적외선일 수 있고, 그 경우 기법은 UV-VIS 분광 또는 IR 분광으로 알려져 있다. UV-VIS 또는 IR 분광 구조의 수정에서, 또한 빛이 입자 크기에 의하여 표면으로부터 산란되는 반사율 분광기를 수행할 수 있다.

다른 구체예에서, SPR 과 함께 전기화학을 수행할 수 있다. 전기화학은 임피던스 분광기 및 사이클릭 볼타메트리를 포함한다. 또한 전기화학은 금속의 박막을 요구하고, 센서 표면의 '전방 측'으로부터 수행될 수 있고, 반면, SPR은 샘플을 '후방 측'으로부터 복조(interrogate)하여 예를 들어, SPR 및 임피던스 분광기 모두에서 동시 측정이 가능하도록 한다.

도 12는 금 필름 상부에 위치하는 리간드 분석물 쌍을 갖는 하나의 센서 표면을 사용하는 조합 장치의 소형 구성을 보여준다. SPR 측정은 상기한 방법으로 수행되고, 이때 수렴 입력광 601은 R1의 굴절률을 갖는 광학 기재 602를 통하여 이동하고, 리간드 분석물 쌍을 포함하는 테스트 603 하의 샘플 위치에서 라인 이미지로 초점이 맞추어진다. 빛은 금 필름 604로부터 반사되고, 공명 각 SPR(θ) 605가 형성된다. 형광 분광기 부분은 UV LED 606을 포함하고, 이는 협 대역의 자외선 광을 방출하고, 이는 굴절률 R2를 갖는 샘플로 지향되나, SPR 측정에 따라 금 필름의 반대면으로부터 나온다. UV 광은 리간드/분석물 쌍을 포함하는 샘플과 반응한다.

반사광은 UV 여기 및 광대역 형광 스펙트럼 607을 수행한다. 이 광은 이중 밴드패스 필터를 통하여 이동하고, 이는 UV 여기빔 608을 차단하고, 협 대역의 청색 및 협대역 녹색 광을 전송한다. 광학 쐐기 609는 서로 다른 각도로 녹색광 빛 청색광을 분산시키고, 이들 각각은 CMOS 검출기 610의 각각의 절반 위치에 부딪친다. CMOS 검출기의 각 면으로부터 강도 값은 기록되고 비율 계산에 의하여 농도가 도출된다.

도 14에 도시된 모든 시스템은 502(도 10 참조)와 유사한 캡, 모세관 구멍 702를 갖는 701, 및 리간드/분석물 쌍 705을 갖는 샘플로 통합된다. 형광 시스템은 검출 암 704를 갖는 UV LED 703과 함께 도시되었고, 이중 밴드패스 필터, 광학 쐐기, 및 CMOS 검출기를 포함한다. SPR 부분은 SPR 신호 광 708을 생성하는 굴절률 R1을 갖는 광학 기재 706 상의 금 필름 709로부터 반사되는 입력 광 707과 함께 도시된다. 면 처리된 SPR 프리즘은 708로 도시된다.

Claims

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검출방법이며,
제1 평면 금속층을 포함하는 교체 가능한 모듈형 센서를, 표면 플라즈몬 공명(Surface Plasmon Resonance, SPR) 장치에 부착시키는 단계;를 포함하고,
상기 표면 플라즈몬 공명 장치(SPR 장치)는
하우징;
제1 입력 반사 표면 및 제2 입력 반사 표면을 포함하는 입력 광학 시스템;
제1 출력 반사 표면 및 제2 출력 반사 표면, 그리고 반사광선을 광-전자 센서로 지향시키는 이미징 광학부를 포함하는 출력 광학 시스템; 및
출력 광학 시스템으로부터 이미지 신호를 수신하도록 구성되고, 2개의 구분되는 표면 플라즈몬 공명 신호(SPR 신호)를 검출기 어레이의 시야 내로 전송하며, 상기 2개의 구분되는 표면 플라즈몬 공명 신호(SPR 신호)의 각각은 입사광선의 최소 표면 플라즈몬 공명 각도(최소 SPR 각도)에 대응되는, 신호 처리 유닛을 포함하고;
상기 검출방법은,
제1 평면 금속층을 기준 유체와 접촉시키는 단계;
표면 플라즈몬 공명 장치(SPR 장치)를 작동시켜, 제1 입력 반사 표면 및 제1 출력 반사 표면을 이용하여 기준 유체의 최소 표면 플라즈몬 공명 각도(최소 SPR 각도)를 결정하는 단계;
제1 평면 금속층을 시험 유체와 접촉시키는 단계;
표면 플라즈몬 공명 장치(SPR 장치)를 작동시켜, 제2 입력 반사 표면 및 제2 출력 반사 표면을 이용하여 시험 유체의 최소 표면 플라즈몬 공명 각도(최소 SPR 각도)를 결정하는 단계;
검출기 어레이의 시야 내 시험 유체의 최소 표면 플라즈몬 공명 각도(최소 SPR 각도) 및 기준 유체의 최소 표면 플라즈몬 공명 각도(최소 SPR 각도)를 동시에 표시하는 단계; 및
검출기 어레이의 시야 내 시험 유체의 최소 표면 플라즈몬 공명 각도(최소 SPR 각도) 및 기준 유체의 최소 표면 플라즈몬 공명 각도(최소 SPR 각도) 간의 구별 가능한 차이를 측정하는 단계를 더 포함하는,
검출방법.
제15항에 있어서,
표면 플라즈몬 공명 장치(SPR 장치)로부터 교체 가능한 모듈형 센서를 제거하는 단계; 및
다른 교체 가능한 모듈형 센서를 표면 플라즈몬 공명 장치(SPR 장치)에 부착시키는 단계를 더 포함하는, 검출방법.
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제15항 또는 제16항에 있어서,
분석물은 용매 입자인, 검출방법.
제30항에 있어서,
시험 유체 내의 분석물의 농도를 결정하는 단계를 더 포함하는, 검출방법.
제15항 또는 제16항에 있어서,
기준 유체는 공기인, 검출방법.
제15항 또는 제16항에 있어서,
검출기 어레이의 시야 내 시험 유체의 최소 표면 플라즈몬 공명 각도(최소 SPR 각도) 및 기준 유체의 최소 표면 플라즈몬 공명 각도(최소 SPR 각도) 간의 구별 가능한 차이를 보정 데이터 세트와 비교하는 단계를 더 포함하는, 검출방법.
제15항 또는 제16항에 있어서,
표면 플라즈몬 공명 장치(SPR 장치)를 작동시키는 단계는, 기준 유체의 최소 플라즈몬 공명 각도(최소 SPR 각도)와 시험 유체의 최소 플라즈몬 공명 각도(최소 SPR 각도)를 커버하는 각 범위에 걸쳐 입사광선을 스캔하는 단계를 포함하는, 검출방법.
제34항에 있어서,
상기 각 범위는 28 도에 걸쳐 있는, 검출방법.
제34항에 있어서,
입사광선은 2개 이상의 상이한 파장의 광을 포함하는, 검출방법.
유체 성분의 존재를 검출하기 위한 장치의 작동방법이며,
장치는 하우징 및 하우징 내에 배치되고 전자기 방사선의 소스를 포함하는 제1 광학 소자를 포함하고, 장치는 하우징 내에 배치되고 적어도 하나의 광전 변환기를 포함하는 제2 광학 소자를 더 포함하고, 장치는 또한 하우징 내에 배치되고 적어도 하나의 광전 변환기에 작동 가능하게 연결되는 신호 처리기를 포함하고,
작동방법은
평면 금속층, 제1 및 제2 입력 반사 표면, 제1 및 제2 출력 반사 표면을 포함하는 센서를 하우징에 부착시키는 단계;
기준 유체를 평면 금속층과 접촉하도록 배치하는 단계;
제1 입력 반사 표면을 이용해서, 제1 광학 소자를 작동시켜 적어도 하나의 입사광선을 평면 금속층의 법선 방향에 대하여 기설정된 범위의 각도로 평면 금속층의 후방 측을 향하여 지향시키는 단계;
제1 출력 반사 표면을 이용해서, 적어도 하나의 광전 변환기를 포함하는 제2 광학 소자를 작동시켜 기준 유체를 위한 반사각의 함수로 반사 강도를 검출하는 단계;
기준 유체를 위한 반사 강도를 인코딩하는 제1 전기 신호를 생성하는 단계;
신호 처리기를 작동시켜 제1 전기 신호로부터 기준 유체의 최소 표면 플라즈몬 공명 각도(최소 SPR 각도)를 검출하는 단계;
시험 유체를 평면 금속층과 접촉하도록 배치하는 단계;
제2 입력 반사 표면을 이용해서, 제1 광학 소자를 작동시켜 적어도 하나의 입사광선을 기설정된 범위의 각으로 평면 금속층의 후방 측으로 지향시키는 단계;
제2 출력 반사 표면을 이용해서, 적어도 하나의 광전 변환기를 포함하는 제2 광학 소자를 작동시켜 시험 유체를 위한 반사각의 함수로 반사 강도를 검출하는 단계;
시험 유체를 위한 반사 강도를 인코딩하는 제2 전기 신호를 생성하는 단계;
신호 처리기를 작동시켜 제2 전기 신호로부터 시험 유체의 최소 표면 플라즈몬 공명 각도(최소 SPR 각도)를 검출하는 단계;
검출기 어레이의 시야 내 시험 유체의 최소 표면 플라즈몬 공명 각도(SPR 각도) 및 기준 유체의 최소 표면 플라즈몬 공명 각도(최소 SPR 각도)를 동시에 표시하는 단계; 및
검출기 어레이의 시야 내 시험 유체의 최소 표면 플라즈몬 공명 각도(SPR 각도) 및 기준 유체의 최소 표면 플라즈몬 공명 각도(최소 SPR 각도) 간의 구별 가능한 차이를 측정하는 단계를 포함하는, 작동방법.
제37항에 있어서,
분석물은 용매 입자인, 작동방법.
제38항에 있어서,
시험 유체 내의 분석물의 농도를 결정하는 단계를 더 포함하는, 작동방법.
제37항 또는 제38항에 있어서,
기준 유체는 공기인, 작동방법.
제37항 또는 제38항에 있어서,
검출기 어레이의 시야 내 시험 유체의 최소 표면 플라즈몬 공명 각도(최소 SPR 각도) 및 기준 유체의 최소 표면 플라즈몬 공명 각도(최소 SPR 각도) 간의 구별 가능한 차이를 보정 데이터 세트와 비교하는 단계를 더 포함하는, 작동방법.
제37항 또는 제38항에 있어서,
기설정된 범위의 각은 기준 유체의 최소 표면 플라즈몬 공명 각도(최소 SPR 각도) 및 시험 유체의 최소 표면 플라즈몬 공명 각도(최소 SPR 각도)를 커버하는, 작동방법.
제42항에 있어서,
기설정된 범위의 각은 28 도에 걸쳐 있는, 작동방법.
제42항에 있어서,
입사광선은 2개 이상의 상이한 파장의 광을 포함하는, 작동방법.