KR20020063587A - 표면 플라스몬 공진 - Google Patents

Abstract

용해성 및/또는 입자성 검체를 검출하기 위한 표면 플라스몬 공진 장치(1)는, 검체를 바인딩할 수 있는 금속화된 센서 표면을 제공하는 프리즘 센서(2), 및 센서 표면(3)을 향해 광원 여기 빔(4)을 제공하는 레이저(10)를 포함한다. 광 빔(4)으로부터 광(6)을 검출할 수 있는 검출기(5)가 제공되고, 상기 광 빔은 센서 표면(3)으로부터 내부로 반사되며, 상기 여기 빔(4)이 센서 표면(3)에 대해 각 범위

Description

표면 플라스몬 공진{Surface plasmon resonance}

용액으로부터 작은 용해성 검체들의 검출에 표면 플라스몬 공진(Surface Plasmon Resonance; SPR)을 이용하는 것은 널리 공지되어 있다(예컨대, "Advance in Biosensors - A Research Annual Vol. 1, 1991", Ed. A P F Turner, Pub. Jai Press Ltd, London을 참조한다).

본 명세서에 참조 문헌으로서 포함되는 CB 2271886(더 세크러터리 오브 스테이트 포 디펜스)에서는, 편광(polarised light)을 발생하는 광원과, 외측이 금속 코팅되고 시료 용액과 접촉될 수도 있는 센서와, 내측 센서 표면으로부터 내측으로 반사되는 광을 검출하는 수단을 포함하는 SPR 장치를 기술하고 있다.

바인딩(bound)되는 검체가 없는 경우에, 광은 전적으로 시료 용액 및 센서의 굴절률(refractive index : RI)에 특징적인 입사각으로 내부로 반사된다. 특정 입사각(SPR 각)에서, 편광의 내부 반사에 의해 셋업된 소산성 파(evanescent wave)와금속과의 상호 작용은 반사된 광의 강도를 떨어드린다. 이러한 광 강도 저하는 광 검출기를 사용하여 관측될 수 있다.

소산성 파 영역내에서 센서 표면에 대한 검체의 바인딩은 센서 위의 영역의 RI를 변경시키며 이것은 SPR 각을 교란시킨다. 이 교란은 광센서를 사용하여 관측될 수 있으며 검체의 표면 농도에 관련될 수 있다.

상기 문헌에서 SPR 검출은 통상적으로 적절한 리간다(liganda)를 이용하여 특수하게 소산성 영역내에서 바인딩되는 단백질 및 핵산과 같은 유생 분자들 등의 용해성 분자 크기의 검체들과 함께 사용하는데는 제약이 있었다.

본 발명은 넓게는 검체(analyte:檢體)들의 표면 플라스몬 공진 검출에 관한 것이다. 본 발명은 또한 그러한 장치를 채용하는 방법들에 관한 것이다.

도 1은 개략적인 도해도.

도 2 내지 도 7은 변형예들을 개략적으로 도시하는 또다른 도면들.

본 발명의 제 1 양태에 따르면, 용해성 및/또는 입자성 검체를 검출하는 표면 플라스몬 공진 장치는,

상기 검체를 바인딩할 수 있는 금속화된 센서 표면을 제공하는 센서와,

상기 센서 표면을 향하는 광원 여기 빔과,

상기 센서 표면으로부터 방출되는 광 빔으로부터의 광을 검출할 수 있는 적어도 하나의 검출기와,

상기 센서 표면으로부터 방출된 광의 레벨이 실질적으로 강화되도록 제어되는 방식으로 상기 여기 빔에 영향을 주는 빔 변경 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 빔 변경 수단은 센서 표면에 대해 각 범위에 걸쳐 상기 여기 빔을 변위시키도록 동작가능할 수도 있다.

대안적으로는, 상기 빔 변경 수단은 여기 빔의 파장을 조정하도록 동작가능할 수도 있다.

본 발명의 제 2 양태에 따르면, 시료에서 검체를 검출하는 방법은,

금속화된 센서 표면에 상기 시료를 노출시키는 단계와,

상기 센서 표면으로부터 방출된 광 신호들을 해석하는 단계를 포함한다.

가능한 검체들은 예컨대 박테리아나 다른 세포들과 같은 유생 분자들이나, 포자나, 비리온 등이나 또는 단백질이나 폴리뉴클레오타이드 등과 같은 유생 분자 그 자체들을 포함하거나 이들로 이루어지는 입자성 또는 용해성 검체들을 포함할 수도 있다.

가능한 타겟들은 크립토스포리듐, 이 콜리(E. coli), 살모넬라 등을 포함한다.

여기 변위 수단은 미러를 바이브레이팅하는 수단과 빔 반사 미러를 포함할 수도 있다. 여기 빔은 선형 빔이나 팬형 빔이나 웨지형 빔을 포함할 수도 있다.

변위의 여기 각은 SPR 신호에서 검출된 변화들에 따라 자동으로 조절가능하여, 상기 장치를 "공진" 상태로 유지시킬 수도 있다. 매트릭스된 센서 표면의 상이한 영역들을 고려하여 또다른 조정이 필요할 수도 있다.

양호한 입사각을 유지하도록 공진 및 광 산란 방출에서의 변화들을 모니터하는 수단을 제공하는 것이 유리할 것이다.

자동 스캐닝이 바람직하며, 이것에 의해 센서 표면상의 임의의 소정의 위치에서 공진을 위한 필요한 조건 및 실질적으로 최대의 산란 방출이 달성될 것이다.

최대치 산란 방출 조건들은 적절히 제어되는 소프트웨어를 이용함으로써 얻어질 수도 있고, 이것에 의해 예를 들면 각각의 단일의 각 스캔 동안 매트릭스된 표면의 각각의 규정된 영역이 1초 미만의 시간 기간에 발생할 수 있다.

본 발명을 따르는 제 3 양태는 전술한 바와 같은 검출 장치를 내장하는 현미경을 포함한다.

이제 본 발명을 따르는 장치의 실시예에 대해 첨부 도면을 참조하여 단지 예로서

도면에서 동일한 특징 및 성분들에 대해 동일한 도면 번호들을 표기한다.

도 1을 참조하면, 용해성 및/또는 입자성 검체를 검출하기 위한 표면 플라스몬 공진 장치(1)는, 검체를 바인딩(binding)할 수 있는 금속화(금층)된 센서 표면을 제공하는 프리즘 센서(2), 및 (본 예에서는) 센서 표면(3)을 향해 광원 여기 빔(4)을 제공하는 레이저(10)를 포함한다. 광 빔(4)으로부터 광(6)을 검출할 수 있는 검출기(5)가 제공되고, 상기 광 빔은 센서 표면(3)으로부터 내부로 반사되며,상기 여기 빔(4)이 센서 표면(3)에 대해 각 범위로 변위되도록 동작할 수 있는 바이브레이터(8) 및 미러(9)를 포함하는 변위 수단(7)이 제공된다.

상기 변위 수단(7)은 제어 방식으로 여기 빔(4)에 영향을 미치도록 동작하고, 이에 의해서 광 표면(3)으로부터 반사되고 검출기(5)에 의해 검출된 광의 레벨은 실질적으로 향상되고 분석 감도가 개선된다.

검체 시료(15)는 금속성 센서 표면(3)상에 배치되고, 그것은 상기 표면에 대해 노출되어진다. 검출기(5)는 시료(15)가 분석되도록 센서 표면(3)으로부터 내부로 반사된 광 신호(6)를 해석하는데 이용된다.

미러(17)와 현미경 대물렌즈(18)와 CCD(charge-coupled device) 어레이(19)를 포함하는 비디오 카메라 시스템(16)이 센서 표면의 상부면으로부터 방사된 산란 광을 검출하는데 이용된다.

도 2는 표면 플라스몬 장치(51)에 피드백 시스템이 제공되는 변형예를 도시한다.

상기 장치(51)는 기본적으로 도 1의 장치(1)와 같은 유형이다. 그러나, 상기 장치(51)는 금층 센서 표면(53)을 제공하는 프리즘 센서(52)와, 센서 표면(53)을 향하는 광원 여기 빔(54)을 제공하는 레이저(60)를 포함한다. 센서 표면(53)으로부터의 반사에 의해 내부로 반사된 광(56a, 56b)을 검출하는 두 개의 검출기들(55a, 55b)이 제공되고, 바이브레이터(58) 및 미러(59)를 포함하는 변위 수단(57)은 여기 빔(54)이 빔 분리기(62)에 의해 두 성분들로 분리된 후에 센서 표면(53)에 대해 각도 범위에 걸쳐서 그 여기 빔(54)을 변위시키도록 동작한다.

동작에 있어서, 여기 빔(54)은 금속화된 표면(53)상에 부딪히기 전에 빔 분리기(62)에 의해 분리되고나서, 내부로 반사된 후에 두 개의 검출기들(55a, 55b)상으로 진행된다. 검출기(55a)는 도 1의 검출기(5)에 대응하지만, 검출기(55b)는 변위 또는 스캐닝 수단(57)에 피드백하는 최심의 SPR 최소치 검출기로서 작용하는 피드백 루프(63)의 일부를 형성한다. 이 피드백은 바이브레이팅 미러(59)가 최심의 SPR 최소치에 위치될 수 있게 보증하도록 시스템을 최적화한다.

따라서, 도 1에 도시된 구성의 경우에서처럼, 센서 표면(53)으로부터 방출되고 카메라 시스템(16)에 의해 검출되는 광의 레벨은 실질적으로 강화되고 분석 감도가 향상되며, 검출기(55a)는 통상의 SPR 스캔 데이터를 제공한다.

도 3은 반구형상의 센서 블록(102)이 금속화된 (금) 층 센서 표면(103)을 제공하는데 사용된다.

초점 렌즈(110a)를 갖는 (레이저) 광원(110)은 센서 표면(103)을 향하는 여기 빔(104)을 제공한다.

센서 표면(103)으로부터 반사된 광(106)은 렌즈(170)을 통과하고 그 후에 센서(105)에 의해 검출된다.

레이저(110)는 제어되는 방식으로 동작되므로, 빔에 의해 각 θ로 스캔되도록 빔(104)과 일치하는 출(110h) 둘레로 회전하게 된다.

센서층(103)으로부터 방출되고 검출기(105)에 의해 검출되는 산란된 광(106)은 최대치 공진이 일어날 때 각 θ로 측정된다,. SPR은 광산란 최대치들 또는 최심의 SPR 최대치들 간의 각이나 시간으로부터 측정될 수도 있다.

앞에서처럼, 산란된 광은 여기 빔(104)의 회전에 의해서 실질적으로 강화되고 분석 감도가 향상된다.

도 4는 도 3에 의해 도시된 장치의 변형예를 도시하며, 빔(104)의 각 위치를 제어하기 위해 피드백이 제공된다.

도 4에 도시된 장치(201)는 빔 분리기(262)와, 두 개의 검출기(205a, 205b)와, 레이저(110)를 회전시키는 스텝퍼 모터 제어기(280)와, 피드백 루프(281)를 갖는다.

빔 분리기(262)는 두 개의 빔(104a, 104b)을 분리하도록 제공된다.

상기 장치(201)는 최대치 공진을 위해 각 θ로 설정되고나서 증분적으로 조정되어 SPR 검출기(209b)로부터의 독출을 이용하여 공진 최대치를 유지할 수 있게 한다.

도 5는 SPR 신호를 이용하는 대신에 그것을 이용하여 도 4에서와 같이 각 θ를 조정하고 광 산란 신호를 이용하여 최대치 공진을 위한 각을 설정하는 장치(301)를 도시한다.

비디오 카메라 시스템(16)은 최대치 광이 달성될 때 신호 선(285)을 따라 스텝퍼 모터 제어(280)에 피드백 신호를 보내고 신호 선(281)을 따라 피드백 신호를 레이저(110)에 보내는데 사용된다.

도 5는 또한 SPR이 각 위치 θ의 변화를 결정함으로써 광 산란으로부터 어떻게 모니터될 수 있는지를 도시한다.

도 6은 장치(401)를 도시한다. 여기서 각 θ는 유지되고 여기 빔(104)의 파장은 제어 유닛(390)을 포함하는 빔 변경 수단을 이용하여 자동으로 스캔되고 조정된다.

SPR은 여기 빔(104)의 조정가능한 파장을 이용하여 측정될 수 있다. 피드백 라인(391)이 검출기(105) 및 제어 유닛(390) 간에 제공되고, 검출기가 선(391)을 따라 방출된 피드백 신호들에 따라 여기 빔(104)을 스캔해서 주사하는데 이용된다.

도 7은 도 5에 의해 도시된 구성의 변형예인 장치(501)를 도시하지만, 각 분해능 및 제어를 향상시킴으로써 강화된 분해능을 제공한다.

도 7은 비디오 카메라 시스템(16)으로부터 피드백 제어 신호(590)를 수신하는 (레이저) 광원(510)을 이용하는 것을 도시하고 있다. 이것에 의해 작은 각의 빔(593)뿐만 아니라 웨지형(wedge form)의 큰 고정각의 여기빔(592)이 제 2 광 포스(force)(591)에 의해 제공된다. 빔(593)은 조정가능하므로, 최적화된 광 산란을 위해 "동조"될 수도 있다.

본 발명은 또한 상술한 바와 같은 검출 장치를 내장한 현미경에 적용할 수도 있다.

본 발명은 유생 분자나 포자나 비리온을 포함하거나 유생 분자나 포자나 비리온으로 이루어지는 입자성 또는 용해성 검체를 포함하는 검체들과 함께 이용될 수도 있다. 대안예들은 골드 젤이나 라텍스 비즈나 형광성 마커 등의 광 마커들이나 박테리아를 포함할 수도 있다.

본 명세서에 개시된 임의의 특징들은 실제적으로 본 명세서에 개시된 임의의 다른 특징들에 부가 또는 대체될 수도 있다.

Claims (28)

1. 용해성 및/또는 입자성 검체를 검출하는 표면 플라스몬 공진 장치에 있어서,

   상기 검체(15)를 바인딩할 수 있는 금속화된 센서 표면(3)을 제공하는 센서(2)와,

   상기 센서 표면(3)을 향하는 광원 여기 빔(4)과,

   상기 센서 표면으로부터 방출되는 광 빔(4)으로부터의 광(6)을 검출할 수 있는 적어도 하나의 검출기(5)와,

   상기 센서 표면(3)으로부터 방출된 광의 레벨이 실질적으로 강화되도록 제어되는 방식으로 상기 여기 빔(4)에 영향을 주는 빔 변경 수단(7)을 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 플라스몬 공진 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 빔 변경 수단(7)은 센서 표면(3)에 대해 각 범위()에 걸쳐 상기 여기 빔(4)을 변위시키도록 동작가능한, 표면 플라스몬 공진 장치.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 빔 변경 수단(7)은 빔 반사 미러(9)를 포함하는, 표면 플라스몬 공진 장치.
4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,

   상기 여기 빔(4)은 선형인, 표면 플라스몬 공진 장치.
5. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,

   상기 여기 빔(4)은 팬형인, 표면 플라스몬 공진 장치.
6. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,

   상기 여기 빔(4)은 웨지형인, 표면 플라스몬 공진 장치.
7. 제 1 항 내지 제 6 항중 어느 한 항에 있어서,

   변위()의 여기 각은 SPR 신호에서 검출된 변화들에 따라 자동으로 조정가능(63)하게 되어 상기 장치를 "공진" 상태로 유지하는, 표면 플라스몬 공진 장치.
8. 제 7 항에 있어서,

   매트릭스된 센서 표면의 상이한 영역들을 고려하도록 추가로 조정가능한, 표면 플라스몬 공진 장치.
9. 제 1 항 내지 제 8 항중 어느 한 항에 있어서,

   양호한 입사각을 유지하도록 산란하는 공진 및 방출 광의 변화들을 모니터하는 수단(205b)을 구비하는, 표면 플라스몬 공진 장치.
10. 제 1 항에 있어서,

    빔 변경 수단(390)은 여기 빔(104)의 파장을 조정하도록 조정가능한, 표면 플라스몬 공진 장치.
11. 제 10 항에 있어서,

    상기 조정은 상기 광 검출기(105)에 의해서 방출된 피드백 신호들(391)에 의해서 자동으로 조정가능한, 표면 플라스몬 공진 장치.
12. 제 1 항 내지 제 11 항중 어느 한 항에 있어서,

    상기 센서 표면(3)으로부터 외부로 방출된 산란 광의 검출을 위한 CCD(charge-couple device) 어레이(19)를 구비하는, 표면 플라스몬 공진 장치.
13. 제 12 항에 있어서,

    상기 CCD 어레이(19)에 의해 제공된 피드백 신호들은 상기 광원 여기 빔(104a)을 동작시키는데 사용되는, 표면 플라스몬 공진 장치.
14. 제 1 항 내지 제 13 항중 어느 한 항에 있어서,

    상기 여기 빔을 두 개의 성분들로 분리하도록 빔 분리 수단(62)이 제공되고, 각각의 빔 성분에 대해 하나씩 두 개의 검출기 수단(55a, 55b)이 제공되는, 표면플라스몬 공진 장치.
15. 시료에서 검체를 검출하는 방법에 있어서,

    금속화된 센서 표면(3)에 상기 시료를 노출시키는 단계와,

    상기 센서 표면으로부터 방출된 광 신호들을 해석하는 단계를 포함하는, 검체 검출 방법.
16. 제 15 항에 있어서,

    상기 검체는 유생 분자나 포자나 비리온을 포함하거나 유생 분자나 포자나 비리온으로 이루어지는 입자성 또는 비용해성 검채를 포함하는, 검체 검출 방법.
17. 제 15 항에 있어서,

    상기 검체는 박테리아를 포함하는, 검체 검출 방법.
18. 제 15 항에 있어서,

    상기 검체는 골드 젤이나 라텍스 비즈나 형광성 마커들과 같은 광 마커들을 포함하는, 검체 검출 방법.
19. 제 15 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,

    제 1 항 내지 제 14 항중 어느 한 항에서 청구된 장치를 이용하여 수행되는,검체 검출 방법.
20. 첨부 도면의 도 1을 참조하여 전술한 바와 같은 표면 플라스몬 공진 장치.
21. 첨부 도면의 도 2를 참조하여 전술한 바와 같은 표면 플라스몬 공진 장치.
22. 첨부 도면의 도 3을 참조하여 전술한 바와 같은 표면 플라스몬 공진 장치.
23. 첨부 도면의 도 4을 참조하여 전술한 바와 같은 표면 플라스몬 공진 장치.
24. 첨부 도면의 도 5를 참조하여 전술한 바와 같은 표면 플라스몬 공진 장치.
25. 첨부 도면의 도 6을 참조하여 전술한 바와 같은 표면 플라스몬 공진 장치.
26. 첨부 도면의 도 7을 참조하여 전술한 바와 같은 표면 플라스몬 공진 장치.
27. 제 1 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에 청구된 검출 장치를 포함하는 현미경.
28. 첨부 도면의 도 1 내지 도 7 중 어느 하나를 참조하여 전술한 바와 같은 제15 항 내지 제 19항중 어느 한 항에 청구된 방법.