KR20060020036A - 주사 방식 및 줌 방식을 채택하여 표면 플라즈몬 공명현상을 측정하는 장치 및 이를 이용한 측정방법 - Google Patents

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Abstract

주사 방식과 줌 방식을 이용하여 표면 플라즈몬 공명 현상을 측정하는 장치와 그 측정방법이 제공된다. 상기 장치는 프리즘내부로 입사되는 쐐기 형태로 집속되는 광의 각도를 조절할 수 있는 줌기능부를 갖는 광원부 및 상기 프리즘 내부로부터 나오는 역 쐐기형태로 발산하는 광을 포집할 수 있는 줌기능부를 갖는 수광부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 일 실시예에 있어서, 상기 줌 기능부들은 줌 기능을 수행하도록 광축을 따라 움직이는 광학 렌즈를 포함할 수 있다. 상기 장치에 의하면, 플라즈몬 공명각의 이동에 대한 정밀한 정보를 얻을 수 있고, 실시간으로 상기 플라즈몬 공명각 또는 SPR 장치의 시료에 대한 반응 정도를 측정할 수 있다.
스케닝 방식, 입사각 가변형식, 줌 방식, 표면 플라즈몬 공명, 2차원 CCD, 프리즘, 2θ스테이지, 공명각, 내부 전반사

Description

주사 방식 및 줌 방식을 채택하여 표면 플라즈몬 공명 현상을 측정하는 장치 및 이를 이용한 측정방법{Apparatus for measuring Surface Plasmon Resonance (SPR)phenomenon, employing the scanning and zooming system and measuring method using the same}
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 표면 플라즈몬 공명 장치의 구조도이다.
도 2a 및 도 2b는 도 1에 도시된 표면 플라즈몬 공명 장치의 줌 기능부에 대한 개략적인 구조도이다.
도 3a는 도 2a의 최대 주사범위에서의 SPR 현상을 측정한 그래프이다.
도 3b는 도 2b의 최소 주사범위에서의 SPR 현상을 측정한 그래프이다.
도 3c는 시료의 반응 전과 반응 후의 SPR 현상을 측정한 그래프이다.
도 4는 입사광이 최소 주사범위를 가질 때 공명각의 이동에 따른 입사광과 공명각의 정렬 방법을 설명하기위한 구조도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 주사방식의 광학구조를 이용하여 측정한 SPR 곡선이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 의한 SPR 장치의 광학계 구조의 상부와 측면부에서 본 투시도이다.
도 7a는 입사광이 최대 주사범위일 때 각 CCD 화소와 반사도와의 관계를 나 타낸 그래프이다.
도 7b는 입사광의 최소 주사범위일 때 각 CCD 화소와 반사도와의 관계를 나타낸 그래프이다.
본 발명은 표면 플라즈몬 공명 현상을 측정하는 장치 및 이를 이용한 측정방법에 관한 것으로, 특히 주사 방식 및 줌 방식을 채택하여 표면 플라즈몬 공명 현상을 측정하는 장치 및 이를 이용한 측정방법에 관한 것이다.
방사성 물질이나 형광물질을 이용하여 표식 없이도 단백질 등 생체물질의 결합 친화도를 높은 민감도로 측정할 수 있는 기술로 사용될 수 있는 유용한 방법 중 하나는 생체분자의 상호작용 특히 분자 인식을 검출하는 방법으로서 우수한 감도를 인정받고 있는 표면 플라즈몬 공명(Surface Plasmon Resonance ;SPR)이다. SPR은 광이 두 매질의 경계면에서 전반사 될 때 계면에 있는 금속 층 전자들에 의한 표면 플라즈몬의 진동이 계면근처의 유전 상수에 의해 영향을 받아 유전층의 두께나 굴절률 변화에 민감하게 반응하는 현상이다. 이때 계면에 위치한 분자들의 상호작용의 결과로 주어지는 유전상수의 변화와 관련된 공명각의 변화를 통해 분자인식 유무를 정밀하게 검출할 수 있다. 이 방법은 별도의 형광 표식 과정처리가 없이도 광학적 원리만으로 분자들 간의 상호작용 계측이 가능하다는 장점을 가지고 있다.
1990년대 초 스웨덴의 Biacore AB 사에서 개발된 BIAcore 시스템은 SPR의 원 리를 이용하여 금(Gold) 전극 상에 수식된 생체물질과 다른 생체물질간의 상호작용을 실시간으로 측정할 수 있었다. 예로서, 금 박막 위에 항체를 고정화시켜놓고, 시료용액 중에 항원과 결합을 유도하면서 광을 조사하면 그때 발생되는 SPR에 의한 파장이동과 표면에 결합된 항원의 양이 비례하므로 결과적으로 결합된 항원의 농도 측정을 할 수 있고, 실시간으로 결합반응도를 모니터링(Monitering)할 수 있어 분자 반응에 대한 동역학(Kinetics) 연구도 가능하다.
최근 생명과학 분야에서 주목받고 있는 단백질의 기능을 분석하는데 이러한 SPR 시스템은 매우 유용하다. 기존의 SPR 시스템에서는 1 ng/mm2의 질량 변화까지 검출할 수 있어 pM(10-12M) 수준까지 측정 가능한데 분자량으로는 180 Da의 저분자에서부터 세포주준까지 측정할 수 있다. 신약개발에 필수적인 저분자의 검색과 새로운 단백질 발견, 면역센서에 사용되는 분석방법 개발, 세포내 물질들 간의 조절작용기 연구 등 다양한 생화학적 연구를 수행할 수 있다. 가장 큰 장점은 기존의 분석법이 형광물질이나 방사선 물질의 표식이 필요한 반면 이 방법은 이러한 과정을 생략할 수 있어 표식 없이 면역분석이 가능하다는데 있다.
이런 장점 때문에 최근에는 다수의 단백질이 배열된 단백질 칩 상에서도 SPR Image 신호를 검출하려는 시도가 이루어지고 있다. 특히 최근 연구결과에 의하면 SPR을 이용해 2차원 신호 처리가 가능하며, 이런 기술을 이용해 DNA 칩, 단백질 칩과 같은 2차원 평면의 빠르고 정확한 신호처리가 가능하다.
이러한 이유로 SPR 측정 장치가 개발되었지만 종래의 SPR 측정 기술의 광 입 사방법은 대부분 스케닝 방법 및 쐐기형태의 광 주입방법으로 이루어져 있다. 예로서, 파마시아 바이오센서 에이비(Pharmacia Biosensor AB)에서 출원하였던 미국특허 US5,313,264의 내용은 SPR 측정 장치 전반에 걸쳐져 있고, 광학적 장치(Optical System)에 대한 설명도 제시되어 있다. 파마시아 바이오센서 에이비의 특허내용 중에서 광학적 장치의 설명에 의하면 광원에서 출발한 광은 렌즈를 통과하면서 쐐기 모양으로 바뀌고 이 광은 실린더 형태의 프리즘 중앙으로 입사가 된다. 프리즘 내부 밑면에 도달한 광은 프리즘 외부에 있는 금속 박막 및 이에 부착되어 있는 물질의 특성에 의해 공명현상이 발생하고 이때의 정보는 반사되어 프리즘 외부로 나오게 된다. 공명현상의 정보를 가지고 프리즘 밖으로 나온 광은 검출기 전단계의 렌즈를 통과하면서 검출기의 유효 검출 영역 크기에 맞게 변형이 되어 입사된다. 상기 구조에서 검출 부분에 있는 왜상 렌즈계는 광 검출기 일렬의 화소(Photo detector column)에 따라 공명각의 확대 정도를 조절하기 위한 렌즈이다. 하지만 이 렌즈의 사용은 공명각의 확대 효과는 주지만 광 강도의 감소를 발생시킬 수 있다.
또 하나의 예로서 일본회사인 Auto-Lab라는 회사의 광학구조는 광원으로서 레이저에서 나온 광은 거울을 이용하여 주사(scanning)를 하고 단순히 다이오드 검출기로 광을 받아들여서 검출한다. 이때 동적 측정범위는 4°이고 각도 분해능은 0.5m°이다. 이 광학구조에서도 입사각의 범위 및 확대 범위는 정해져 있다.
상기한 바와 같이, 종래의 광학구조를 이용한다면 어느 특정부분의 광 강도 나 각도를 정확하게 읽어내어 확대하여 표현하는 것은 광 손실을 감안하지 않고는 불가능하다. 여기서 일정 비율로 혹은 임의의 원하는 비율로 확대 축소를 하면서 광의 강도를 검출한다면 광 강도의 변화를 가지고 각도의 변화를 계산하는 것도 가능하다. 이런 방법은 이미 다른 장비에서 이용되고 있지만 이는 줌(Zoom) 기능이 도입되지 않은 상태에서 정확한 최저 광 강도를 가지는 공명 각을 찾아내기 위해서 이용되었을 뿐이고 광학적 줌(Zoom)기능을 가지는 확대나 축소의 의미와는 다소 차이를 가진다.
본 발명에서는 광학적 줌(Zoom)기능을 도입하여 광 강도의 손실 없이 원하는 부분에서의 광학적 확대를 얻어내고자 한다. 이는 측정 각도의 범위가 다른 쐐기 모양의 광이 프리즘 내부로 입사되고 프리즘 내부로부터 반사되어 나온 광은 검출기로 입사되는데 최후에 도착되어지는 검출기 표면에서는 같은 넓이로 입사되므로 입사각과는 상관없이 마지막 2차원 CCD에서는 일정한 화소에 대해서 항상 같은 광 밀도에 해당하는 광선이 입사 된다는 것이다.
본 발명의 일태양은 주사방식 및 줌 방식을 채택하여 표면 플라즈몬 공명 현상을 측정하는 장치(이하 표면 플라즈몬 공명 장치라 한다.)를 제공한다. 상기 표면 플라즈몬 공명(SPR) 장치는 프리즘내부로 입사되는 쐐기 형태로 집속되는 광의 각도를 조절할 수 있는 줌기능부를 갖는 광원부 및 상기 프리즘 내부로부터 나오는 역 쐐기형태로 발산하는 광을 포집할 수 있는 줌기능부를 갖는 수광부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 의하면, 상기 줌 기능부들은 줌 기능을 수행하도록 광축을 따라 움직이는 광학 렌즈를 포함할 수 있다.
이에 더하여 상기 SPR 장치는 상기 수광부에 있는 2차원 CCD에서 검출된 광 강도 정보를 모니터에 나타내주고 공명각에 대한 정보를 이용하여 공명각과 광 진행 중심축을 일치시키기 위해 2θ스테이지를 구동하기위한 데이터를 피드백(Feed Back)하여 주기위한 신호 처리부, 상기 광원부와 수광부의 광 진행 중심축을 공명각과 일치시키기 위해 이동시키는 2θ 스테이지부 및 데이터를 가시화 시켜주기 위한 모니터링부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 태양에 의하면, 상기 SPR 장치를 이용한 물성측정 방법이 제공된다. 이 방법은 넓은 범위의 각도를 측정하여 임계각과 공명각의 위치를 한번에 얻는 것을 포함한다. 광학적 줌 기능을 이용하여 좁은 범위의 각도를 2차원 CCD에 확대하여 광정보를 얻는다. 측정할 시료의 반응으로 생기는 공명각의 이동을 실시간 모니터링 하기위해 넓은 각도로 측정한다. 다음으로, 이동한 공명각의 정확한 각도 데이터를 얻기 위해 2θ스테이지를 움직여서 광원부와 수광부의 광축을 이동한 공명각에 일치시킨 후 줌 기능을 이용하여 2차원 CCD로 데이터화한다.
본 발명에 의하면 광학계의 구조 및 광학장치를 이용한 쐐기형 입사광의 주사범위 조절방법 및 다양한 시료에서 표면 플라즈몬 공명각을 찾는 방법 그리고 이에 보다 정밀한 공명각에 대한 정보를 얻기 위한 2θ스테이지의 각도계방식으로 구성되어지는 SPR시스템의 구조 및 정렬 방법 및 관련 장치구성이 제공된다.
프리즘을 이용한 표면 플라즈몬공명 장치는 광의 입사방식에 따라서 주사방 식의 입사와 쐐기형방식의 입사로 나누어 질 수 있다. 이런 두 가지 방식은 각각의 시스템에 따라 장단점을 가진다.
입사광 주사 방식은 각도계방식에서 2θ스테이지의 중심에 프리즘을 고정시키고, 양 쪽의 2θ스테이지 위에 광원부와 수광부를 고정시킨 후, 광원으로부터 시료부로 향하는 광의 입사각과 시료부로부터 수광부로 향하는 광의 반사각을 조절한다. 이때 2θ스테이지는 광원부와 수광부가 프리즘을 중심으로 일정한 각도 범위에서 동조하여 움직이며 원하는 입사각 영역을 주사함으로서 표면플라즈몬공명 현상을 측정하는 구조를 가진다.
쐐기형 광 형태를 이용한 방식은 광원부, 프리즘 그리고 수광부의 구조가 특정위치에 고정된 구조를 가지고 있다. 쐐기형 광이 가지는 주사각 범위에 따라 측정될 수 있는 동적측정범위가 달라진다. 입사광 주사방식과 비교해 이 방식이 가지는 장점은 표면플라즈몬공명 현상을 이용하여 시료부의 물리화학적 변화를 실시간으로 감지 할 수 있는데 있다. 실시간으로 얻어진 시료의 변화정보는 수치적 해석을 통하여 흡착계수(association coefficient)와 해리계수(dissociation coefficient)의 정보로 변환 될 수 있다. 이 방식에서 쐐기형 광의 주사각을 크게 할 경우 넓은 주사범위를 가지고 표면 플라즈몬 공명 현상을 측정할 수 있으므로 입사각 주사 방식과 비교해 속도의 우위를 가질 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 SPR 장치의 구조도이다. 도 1은 동적 측정범위를 줌(Zoom) 방식에 의한 방법과 각도(angle)구동 방식을 동시에 도입한 SPR 장치의 광학계 및 프리즘구조를 개략적으로 보여준다.
도 1을 참조하면, 최초 광원(101)으로부터 나온 방사상 광은 볼록 편광렌즈(102)를 통과하고 평행광(103a) 형태로 광원부(131)의 줌(Zoom) 기능부(104a)를 통과하고 프리즘(109)에 입사할 때의 광의 형태는 쐐기형태(105a)로 입사된다. 상기 광원부(131)의 상기 줌 기능부(104a)가 광원으로부터 나온 광을 쐐기형태의 광으로 바꾸어 주는 역할을 하므로 상기 프리즘(109)에 입사되는 광은 측정시료가 흐르는 플로우셀(112)과 금속박막(111)이 맞닿은 시료 검출부(119)으로 향하며 한 점으로 수렴한다. 상기 시료 검출부(119)에서 반사된 광은 한 점으로부터 다시 쐐기형(105b)의 형태를 가지며 수광부(132)의 줌(Zoom) 기능부(104b)를 지나는데 상기 수광부(132)의 상기 줌 기능부(104b)를 지난 후 광은 CCD센서(107)로 평행하게 입사된다. 상기 CCD센서(107)에 입사되는 광의 형태가 평행광(103b)일 때 상기 CCD 센서(107)의 각 픽셀에 있어서 입사각의 차이에 따른 각화소의 감도 차이를 배제할 수 있다. 상기 CCD센서(107)가 받아들인 각 화소의 정보는 신호처리부(120)를 거쳐서 모니터(121)에 표현된다.
도 1에서 상기 SPR 장치의 구동은 상기 광원부(131)와 수광부(132)가 프리즘 중심을 축으로 서로 반대방향으로 같은 각도만큼 동시에 움직이는 2θ스테이지방식 구동이다. 이와는 달리 상기 SPR 장치의 구동방식은 상기 광원부(131) 혹은 상기 수광부(132) 중에서 한쪽 스테이지 부분만 움직이고 프리즘의 거동은 스테이지가 움직인 각도의 1/2만큼 움직여서 상기 금속 박막(111)이 증착된 프리즘 밑면이 광원 입사부와 검출부의 중간 각도에 위치되도록 하는 2θ스테이지 구동 방식일 수 있다. 따라서 상기 광원 부(131)와 상기 수광부(132)로 이루어진 2θ스테이지를 이 용한 구조에서 상기 프리즘(109)을 중심으로 상기 광원부(131)와 상기 수광부(132)는 상기 프리즘(109)의 중심축을 중심으로 유동적이다. 이 경우에, 상기 광원부(131)와 상기 수광부(132)에 장착되어 있는 상기 줌 기능부들(104a, 104b)는 쐐기형 광을 입사시키고 방사형 광을 받아들이는데 용이하다. 도 1에서와 같이 좌측에서 입사하는 광은 상기 프리즘(109) 밑면의 법선을 중심으로 상기 시료 검출부(119) 중심에서 대칭되어 반사되고 광학계의 줌 기능부의 조절 또는 렌즈 교환 방식을 이용하여 반사된 광을 상기 CCD센서(107)로 받아들이게 된다. 측정할 때 시료는 시료주입구(113)로부터 시료배출구(114)로 흐르며 반응하게 되고, 측정하려는 시료의 공명각은 각도계(110) 방식의 2θ스테이지를 이용하여 광의 중심선(117)과 공명각(120)을 정렬시킬 수 있는데 이때 2θ스테이지의 상기 광원부(131)와 상기 수광부(132)는 상호 동조하여 움직인다.
도 2a 및 도 2b는 도 1에 도시된 SRR 장치의 줌 기능부에 대한 개략적인 구조도이다. 도 2a 및 도 2b는 도 1에 도시된 상기 광원부(131)의 상기 줌 기능부(104a)를 이용하여 프리즘내부로 입사되는 입사광의 각도범위를 조절하는 방식을 나타내는 도면이다. 이 경우에 도 2a는 최대 주사범위θmax(206)일 때를 나타내는 도면이고, 도 2b는 최소 주사범위θmin일 때의 렌즈 구조를 나타내는 도면이다.
도 2a를 참조하면, 방사상 광원으로부터 시료부로 향하는 광은 볼록 편광렌즈(201)를 통과하고 줌 기능부를 구성하는 제1 렌즈(202), 제2 렌즈(203), 제3 렌즈(204), 및 제 4 렌즈(205)의 경로를 통과하게 된다. 최초 광원으로부터 나온 광 은 방사상 형태로 방출되고 이 광은 상기 볼록 편광렌즈(201)를 거쳐서 평행한 P파 광을 이루고 상기 제1 렌즈(202)로 입사하게 된다. 상기 제1 렌즈(202)는 평요렌즈(planoconcave)의 구조를 가지고 상기 제1 렌즈(202)로 입사하는 평행광을 광의 중심선으로부터 바깥쪽으로 퍼지며 진행하게 한다. 상기 제1 렌즈(202)를 통과해 진행하던 광은 상기 제2 렌즈(203)를 지나면서 다시 평행광 형태로 바뀐다. 이 때 상기 제2 렌즈(203)은 볼록렌즈(biconvex)의 구조를 가지며, 평행광으로 진행하는 빛은 평철렌즈(plasnoconvex)의 구조를 가진 제3 렌즈(204)에 의해 광의 중심선을 향해 일정한 각도로 수렴하게 되고 이때의 초점은 측정하고자 하는 부위에 맺히게 된다. 프리즘을 통과해 시료부로 향하는 광의 주사범위는 상기 제4 렌즈(205)에 의해 결정되게 된다. 상기 제4 렌즈(205)는 볼록렌즈의 형태를 가지고 있으며 입사광이 시료부를 향해 한 점으로 수렴하게 한다.
도 2b를 참조하면, 입사광이 최소 주사범위를 가질 때의 광의 경로는 최대 주사범위를 가질 때와 흡사하지만 제3 렌즈와 제4 렌즈의 위치가 다르다. 제2 렌즈로부터 나온 평행광이 제3 렌즈에서 일정한 각도를 가지고 시료부의 한점을 향해 수렴하게 되면 제4 렌즈의 위치변화에 따라 제4 렌즈에서 굴절하는 정도가 달라진다. 입사광이 최대 주사범위를 가질 때와는 달리 제2 렌즈와 제3 렌즈의 거리는 좁아지고, 제3 렌즈와 제4 렌즈의 거리는 멀어져 프리즘을 통과해 시료부로 향하는 광의 주사범위는 최소값을 가지게 된다. 도 2b에 있어서, 별도의 참조번호가 부가되지 않은 부재들은 도 2a에서의 설명이 적용될 수 있다.
도 2a 및 도 2b에 있어서, 줌 기능부의 상기 제1 렌즈(202)와 상기 제2 렌즈 (203)는 볼록 편광렌즈로부터의 평행광을 받아들이는 렌즈로서 고정화되어 있으며 상기 제3 렌즈(204)는 상기 제2 렌즈(203)와 상기 제4 렌즈(205) 사이에서 광축을 따라 유동적일 수 있다. 또한, 상기 제4 렌즈(205)은 상기 제3 렌즈(204)와 프리즘 사이에서 광축을 따라 유동적일 수 있다. 상기 제3 렌즈(204)와 상기 제4 렌즈(205)의 유동성은 상기 제3 렌즈(204)를 지난 광이 상기 제4 렌즈(205)에 입사하는 광의 형태를 조절하는 역할을 한다. 입사광이 최대 주사범위를 가질 때 상기 제4 렌즈(205)에 입사광이 닿는 점(207)과 최소 주사범위를 가질 때 상기 제4 렌즈(205)에 입사광이 닿는 점(208)은 그 위치에 있어 차이를 가진다. 상기 제4 렌즈(205)와 입사광이 닿는 위치의 입사각도 차이로 인하여 광의 굴절각도 차이가 발생하는데 이런 방식에 의해 쐐기 모양의 입사각을 조절할 수 있다. 한편, 상기 제3 렌즈(204) 및 상기 제4 렌즈(205)는 교체될 수 있으며 상기 렌즈들(204, 205)이 갖는 굴절률 및 위치에 의하여 입사광의 주사범위를 조절할 수 도 있다.
도 3a는 도 2a의 최대 주사범위에서의 SPR 현상을 측정한 그래프이고, 도 3b는 도 2b의 최소 주사범위에서의 SPR 현상을 측정한 그래프이다.
도 3a 및 도 3b를 함께 참조하면, 도 3a는 입사광을 35도에서 75도까지로 조절하여 시료부에서 반사된 후 수광부에서 받아들여진 광의 세기를 나타낸 그래프이다. SPR 현상은 내부전반사조건 하에 발생하는 현상으로서 최대 주사범위에서 SPR 현상의 측정은 임계각(301)과 공명각(302)에 대한 정보를 얻을 수 있다. 도 3b는 최소 주사범위에서의 SPR 현상을 측정한 그래프로서 최소 주사범위의 그래프는 최대 주사범위의 그래프보다 공명각 주변의 정보를 더 확실히 보여준다. SPR 장치를 사용한 측정에서 공명각의 이동에 대한 계측은 측정된 둘 이상의 정보에 대한 함수를 알고서 그것들 사이의 임의의 정보에 대한 함수나 그 근사값을 구하는 방법인 보간법(interpolation) 혹은 내삽법을 통해 얻어지는데 이 정보는 공명각 주변의 정보가 확연할 때 더욱 정확히 얻을 수 있다. 즉, 도 3b에서 측정된 각도와 가장 가깝게 이웃하는 각도의 차이가 작을수록 중간 값을 계산하기가 더 용이할 뿐만 아니라 더 정확하다.
도 3c는 하나의 시료를 사용하여 반응 전(304)과 반응 후(305)의 SPR 응답곡선을 측정한 그래프이다.
도 3c를 참조하면, 프리즘과 금속박막이 동일할 때 반응전의 공명각(307)과 반응 후의 공명각(308)은 차이를 보이지만, 반응전과 반응후의 임계각(306)에 대한 값은 일정하다. 이는 동일한 프리즘과 금속박막의 구조와 재질에서 임의의 물질을 반응전과 반응후의 변화를 측정할 때 나타나는 현상으로서 임계각은 일정한 값을 나타낸다. 입사광이 최대 주사 각도를 가질 때 임계각에 대한 측정과 공명각에 대한 측정을 동시에 할 수 있다. 물론 최소각의 입사범위를 가지는 쐐기 형태의 광을 입사시키면서 2θ 스테이지를 움직이면서 측정을 하여도 가능하지만 이때는 측정 속도가 느려지며, 물질이 반응함에 따른 공명각의 이동현상을 실시간으로 모니터링 하기는 어렵다.
도 4는 입사광이 최소 주사범위를 가질 때 다양한 공명각에 따른 입사광과 공명각의 정렬 방법을 설명하기 위한 구조도이다. 도 4에 있어서, 별도의 참조번호가 부가되지 않은 부재들은 도 1에서의 설명이 적용될 수 있다.
도 4를 참조하면, 2θ스테이지는 프리즘 중심축에 대한 저각(402)으로부터 고각(403)위치까지 움직이고 이 때 광원부와 수광부가 서로 상호 동조하여 움직인다. 저각(402)위치에서 프리즘 밑면의 법선과 광의 중심선이 이루는 각을 θ1이라 하고 고각(403) 위치일 때 프리즘 밑면의 법선과 광의 중심선이 이루는 각을 θ2라 하면 이 2θ스테이지의 SPR 현상의 동적측정범위는 θ2-θ1=θ(401)이 된다. 여기서 2θ스테이지의 동적범위 θ가 가지는 크기는 SPR 시스템의 측정 가능 시료의 종류, 즉 시료의 굴절률과 직결 된다.
도 4의 구조는 Resonant Probe사의 SPR 장치의 주사방식의 광학(Scanning Optics)구조와 비슷하지만 기존의 SPR 장치는 레이져 등의 평행광과 2θ스테이지를 사용하여 입사각을 변화시키며 단순히 광 강도만을 검출하는 검출기로 SPR 현상을 측정하였다. 하지만 도 4의 SPR 장치의 Scanning Optics 구조는 입사광이 4도의 주사범위를 가지고 입사되기 때문에 각도에 대한 분해능이 2θ스테이지의 분해능에 국한되지 않는다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 주사방식의 광학(Scanning Optics)구조를 이용하여 측정한 SPR 곡선이다. 입사광의 주사범위는 4도를 가지며 반응전 SPR 곡선(501)로부터 반응후 SPR 곡선(502)은 공명각에 있어 각도의 차이를 보인다. 최소 주사범위가 가지는 값이 4도 이므로 반응전 공명각(503)과 반응후 공명각(504)의 차이(505)가 2도 이상 날 경우 최소 주사범위를 가지고 고정된 2θ스테이지를 이용한 측정은 불가능하다. 그러므로 공명각과 광의 중심선을 정렬시키기 위한 2θ스테이지를 사용한다. 최대 주사범위를 가지고 측정된 반응전과 반응후의 SPR곡선으로 부터 공명각 이동에 대한 정보를 얻고 이에 준하여 최소 주사범위에서의 SPR 곡선을 얻는다. 이 때 공명각의 이동이 2도 이상 발생할 경우 2θ스테이지를 이용하여 광의 중심선과 공명각을 정렬시켜 보다 정확한 정보를 얻을 수 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 의한 SPR 장치의 광학계 구조에 대해 상부와 측면부에서 본 투시도이다.
도 6을 참조하면, 입사광의 주사범위의 조절은 결국 CCD센서로 입사하는 평행광의 범위를 조절하는 것이므로 일정한 개수를 가지는 CCD센서의 각 화소에 의한 각도의 분해능을 조절할 수 있다. 도 6의 상부에서 본 투시도(610)에 의하면 광은 광원으로부터 출발하여 볼록 편광렌즈를 거치면서 평행광이 되고 이 평행광은 검출부에 검출될 때까지 평행광 형태로 진행하게 된다.
도 7a는 입사광이 최대 주사범위일 때 각 CCD 화소와 반사도와의 관계를 나타낸 그래프이고, 도 7b는 입사광의 최소 주사범위일 때 각 CCD 화소와 반사도와의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 7a는 입사광이 최대 주사범위로 입사될 때를 나타내는 그래프이며 40도의 입사범위에 대한 SPR 곡선이 768 화소에 표현된다면 각각의 화소에 대한 주사각도는 0.052도이다. 도 7b는 도 7a의 공명각 부근(701)을 확대시켜서 측정하기 위하여 입사광을 최소 주사범위로 입사시킴으로서 나타내는 그래프이며 4도 범위의 SPR 곡선이 768픽셀에 표현된다면 각각의 화소마다 주사각도는 0.0052도이다.
이때 SPR 장치로 측정을 하는데 있어서 처음에는 도 2a와 같이 넓은 각도 범위로 광을 입사시켜서 임계각과 공명각에 대한 정보를 얻어내고 공명각의 정확한 값을 얻어내기 위해서 도 2b와 같은 방법으로서 공명각 부근을 광학적 줌 기능을 이용하여 확대함으로서 각도에 대한 분해능을 높인다. 또한 센서로 사용되는 금속 박막에 측정시료가 반응을 함으로서 공명각의 이동현상이 발생하는데 이때 발생하는 반응 현상을 실시간으로 관찰하기 위해서는 도 2a와 같이 각도를 넓힘으로서 가능할 수 있고 공명각 이동의 진행 현상을 실시간으로 데이터를 얻어낸다. 또한 SPR 센서와 물질사이의 반응이 끝나서 더 이상 반응이 이루어지지 않을 경우에는 도 2a에 의해 얻어낸 반응 후의 공명각 부근으로 2θ스테이지를 이용하여 광학계의 중심축을 정렬시킨다. 옮겨진 광학계는 줌 기능을 이용하여 다시 도 2b의 방법으로 확대를 하고 데이터를 얻는다.
본 발명에 의하면 SPR 측정에 있어서 각도에 분해능을 높일 수 있고 이 각도 분해능이라는 것은 결국 SPR 측정 장비의 성능을 결정하는 요소가 된다. 기존의 측정방법 중에서 평행 광과 2θ스테이지를 이용하는 각도별 주사방식을 이용하면 시간이 많이 걸리고 공명각 이동의 실시간 모니터링이 되지 않는 단점이 있지만 본 발명에 의하면 실시간 모니터링이 가능할 뿐만 아니라 이동된 공명각에 대한 정확한 측정 데이터를 얻을 수 있다. 기존의 방법 중에서 단순히 쐐기형태의 광을 이용하는 방법은 측정할 수 있는 각도가 정해져 있을 뿐만 아니라 측정 가능한 각도의 폭이 너무 좁아서 일부 물질에 대해서는 측정이 불가능 하였다. 하지만 본 발명에 의하면 측정할 수 있는 각도의 폭도 넓을 뿐만 아니라 줌 기능을 이용하기 때문에 측정에 대한 정확도 및 분해능을 높일 수 있는 장점이 있다.

Claims (5)

  1. 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용하여 물질의 광학적 성질과 물리적 성질을 측정하는 표면 플라즈몬 공명장치에 있어서,
    프리즘내부로 입사되는 쐐기 형태로 집속되는 광의 각도를 조절할 수 있는 줌기능부를 갖는 광원부;
    상기 프리즘 내부로부터 나오는 역 쐐기형태로 발산하는 광을 포집할 수 있는 줌기능부를 갖는 수광부를 포함하는 표면 플라즈몬 공명 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 줌 기능부들은 줌 기능을 수행하도록 광축을 따라 움직이는 광학 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 광학 렌즈는 교체 가능한 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 수광부에 있는 2차원 CCD에서 검출된 광 강도 정보를 모니터에 나타내주고 공명각에 대한 정보를 이용하여 공명각과 광 진행 중심축을 일치시키기 위해 2θ스테이지를 구동하기위한 데이터를 피드백(Feed Back)하여 주기위한 신호 처리 부;
    상기 광원부와 상기 수광부의 광 진행 중심축을 공명각과 일치시키기 위해 이동시키는 2θ 스테이지부;및
    데이터를 가시화 시켜주기 위한 모니터링부를 더 포함하는 표면 플라즈몬 공명장치.
  5. 표면 플라즈몬 공명장치를 이용하여 물질의 광학적 성질과 물리적 성질을 측정하는 방법에 있어서,
    넓은 범위의 각도를 측정하여 임계각과 공명각의 위치를 한번에 얻고,
    광학적 줌 기능을 이용하여 좁은 범위의 각도를 2차원 CCD에 확대하여 광정보를 얻고,
    측정할 시료의 반응으로 생기는 공명각의 이동을 실시간 모니터링 하기위해 넓은 각도로 측정하고,
    이동한 공명각의 정확한 각도 데이터를 얻기 위해 2θ스테이지를 움직여서 광원부와 수광부의 광축을 이동한 공명각에 일치시킨 후 줌 기능을 이용하여 2차원 CCD로 데이터화 하는 것을 포함하는 표면 플라즈몬 공명 장치를 이용한 물성측정 방법.
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