KR20070114440A - 다 매질에서 측정 가능한 광학계를 이용한 표면 플라즈몬공명 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 표면 플라즈몬 공명 현상(SPR : Surface Plasmon Resonance)을 측정하는 장치에 관한 것으로, 레이저 광이 발생되는 레이저 모듈 ; 상기 레이저 모듈에서 발생되는 레이저 광을 확산-수렴시키는 광학계 ; 상기 광학계를 통과한 레이저 광이 입사되는 광학 프리즘 ; 분석하고자 하는 시료가 놓여지는 반응셀(cell) ; 및 상기 광학 프리즘으로부터의 반사광량 측정하는 광 센서가 배열된 광센서 어레이 모듈이 구비된 표면 플라즈몬 공명장치를 제공한다.

본 발명은 매질의 종류에 따라 프리즘을 교체하거나 또는 입사각을 조절하기 위해 광학 장치를 회전시키는 등의 기계적인 조작 과정이 불필요하기 때문에, 표면 플라즈몬 공명 현상의 분석 효율을 크게 향상시킬 수 있다. 본 발명은 매질의 종류에 구애됨 없이 SPR 현상을 용이하게 측정할 수 있는 다(多) 매질용 측정 장치로서, 입사각을 조절하기 위해 광학 장치를 회전시킴에 따라 분석 시간이 지연되는 문제가 없고, 분석 장치의 얼라인(aline)에 따른 번거로움과, 얼라인에 따른 실험 오차의 우려가 없다는 장점이 있다.

표면 플라즈몬 공명, 검출용 칩, 광학계

Description

다 매질에서 측정 가능한 광학계를 이용한 표면 플라즈몬 공명 장치{SURFACE PLASMON RESONANCE MEASUREMENTS USING MODIFIED OPTICS FOR MULTI-MEDIA}

도 1은 종래의 표면 플라즈몬 공명 장치의 구조를 나타낸 것이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명 장치의 구조를 나타낸 것이다.

도 3는 본 발명의 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명 장치의 정면도이다.

도 4은 본 발명의 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명 장치의 측면도이다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 광학계 구조를 나타낸 것이다.

도 6는 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명 현상 측정 순서를 개략적으로 나타낸 것이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100: 레이저 모듈 101: 레이저 모듈의 고정기

200: 광학계 201: 광학계의 고정기

300: 광학 프리즘

400 : 반응셀

401 : 금속 박막이 코팅된 광학 유리판

410 : 표면플라즈몬 공명현상 측정 대상의 고정기

410a: 고정기 상부 유닛

411: z 방향 이동 스테이지 412: y 방향 이동 스테이지

413: x 방향 이동 스테이지

500: 광 센서 어레이 모듈 501: 광 센서 어레이 센서 모듈 고정기

본 발명은 표면 플라즈몬 공명 장치에 관한 것으로, 금속 박막 표면에서 일어나는 생물학적, 화학적 반응을 광(레이저)의 입사각에 따른 표면 플라즈몬 공명각의 변화로써 측정하는 분석 장치이다. 본 발명의 표면 플라즈몬 공명 장치는 분석하고자 하는 시료에 특정 분자의 존재 여부를 분석하거나, 막의 두께 등을 측정하는데 사용될 수 있다.

외부로부터 광(전자파)이 금, 은, 동 등의 금속박막 표면에 입사될 때 금속표면에 여기 된(excited) 전자들이 집단적으로 진동하게 되는데, 이러한 전자들의 집단적인 진동에 의해 금속 또는 그 인접 면에는 표면 플라즈몬파(plasmon wave)가 발생한다. 표면 플라즈몬파는 금속 표면을 따라 진행하는 표면 전자기파로서, 금속박막의 표면에 입사되는 입사광과 특정의 입사각을 이룰 때 공명하게 되며, 이를 표면 플라즈몬 공명 현상(SPR : Surface Plasmon Resonance)이라 한다.

표면 플라즈몬 공명 현상이 일어나는 입사각은 금속 박막에 근접한 물질의 굴절률 변화에 매우 민감한데, 분석하고자 하는 시료를 금속 박막에 인접시킨 후 굴절률, 반사량을 측정함으로써 시료를 분석하는데 사용할 수 있다.

종래 표면 플라즈몬 공명 시스템에서는 광학 프리즘으로 입사되는 레이저 광의 수렴각이 매우 협소한 구조를 채택하고 있는데, 이 때 광학 프리즘을 통해 반사되어 나오는 반사광을 측정하기 위하여 다이오드 어레이 방식의 광학센서를 사용하거나 또는 레이저의 입사각을 조절하기 위한 모터와 같은 회전 이동 수단이 구성요소로 채택된 바 있다.

도 1에는 회전 이동 수단을 이용한 종래의 표면 플라즈몬 공명 장치가 도시되어 있다. 이 경우 광학 프리즘 방향으로 입사되는 레이저 광의 수렴각이 극히 협소하여, 회전 스테이지와 같은 회전 수단을 통해 광학프리즘(300)과 검출칩(유리층, Au 코팅층, 유기층이 적층됨) 및 샘플셀 (sample cell) 등으로 구성된 반응셀(400)을 함께 회전시켜 레이저 광의 입사각을 조절하여 표면 플라즈몬 공명 현상을 측정하는 장치이다. 이는 일반적인 공명 장치의 구조로서, 이러한 구조를 갖는 장치의 경우 모터의 이동과 얼라인(aline) 조정에 따라 분석시간이 길어지고, 부정확한 얼라인으로 인해 실험 오차가 발생하는 문제가 있었다.

기존의 장치에서도 다이오드 어레이(diode array)를 이용한 경우는 있지만, 이 경우 표면 플라즈몬 공명 현상이 나타나는 입사각이 크게 변화되는 매질을 사용할 수 없고, 입사각의 변화가 비교적 작은 액상 매질의 경우에만 분석이 가능한 문제가 있었다.

특허 문헌을 살펴보면, 대한민국 공개 특허 제2004-12384호는 수광 소자로서 이중셀 광 다이오드를 사용한 고감도 표면 플라즈몬 공명장치를 개시하고 있다. 상기 특허에는 광원을 통해 입사되는 광의 수렴각이 좁은 문제를 해결하기 위해 커플링 매질의 유효 굴절률을 변화시키는 방법을 통해 표면 플라즈몬 공명 현상을 측정할 수 있는 기술이 채택된 바 있다.

미국 특허 제6,594,018호에는 소형의 다층 채널 표면 플라즈몬 공명 액상 장치가 개시되어 있다. 상기 특허의 경우 레이저 광의 수렴각은 다른 공명 장치에 비하여 비교적 넓게(약 30도) 조절되어 있으나, 상기 미국 특허는 액상의 매질에서 시료를 관찰할 수 있는 장치로서, 통상의 다른 공명 장치와 마찬가지로 기상에서 SPR현상을 관찰을 위해서는 프리즘을 교체하거나 입사각을 변경해 주어야 하는 기계적인 교환, 수정 작업이 필요하다는 한계가 있다.

상기 종래기술의 한계를 고려하여, 본 발명에서는 레이저 광을 확산-수렴시킬 수 있는 광학계를 새롭게 도입하여 광학 프리즘으로 입사되는 레이저 광이 광대역의 입사각 범위에서 존재할 수 있도록 구성하여, 필요한 입사각 범위에서의 반사광량 값을 동시에 센싱할 수 있고, 또한 매질이 종류에 관계없이 표면 플라즈몬 공명현상을 관찰할 수 있는 표면 플라즈몬 공명 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 광소자가 1차원 또는 2차원적으로 배열되는 광 센서 어레이 구조를 도입함으로써, 고속으로 표면 플라즈몬 공명 각을 찾을 수 있는 표면 플라 즈몬 공명 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 표면 플라즈몬 공명 현상을 측정하여 시료를 분석하는 표면 플라즈몬 공명장치에 관한 것으로, 레이저 광이 발생되는 레이저 모듈 ; 상기 레이저 모듈에서 발생되는 레이저 광을 확산-수렴시키는 광학계 ; 상기 광학계를 통과한 레이저 광이 입사되는 광학 프리즘 ; 분석하고자 하는 시료가 놓여지는 반응셀(cell) ; 및 상기 광학 프리즘으로부터의 반사광량 측정하는 광 센서가 배열된 광센서 어레이 모듈을 포함하는 표면 플라즈몬 공명 장치를 제공한다.

또한, 본 발명은 표면 플라즈몬 파를 여기 시키는 금속 박막층에 인접하는 시료를 분석하기 위한 표면 플라즈몬 공명 측정 장치에 있어서, 상기 표면 플라즈몬 공명장치는 레이저 광이 발생되는 레이저 모듈과 광학프리즘 사이에 레이저 모듈에서 발생되는 레이저 광을 확산-수렴시키는 광학계와, 상기 광학 프리즘으로부터의 반사광량을 측정하기 위한 광소자가 배열된 광센서 어레이 모듈이 구비됨으로써, 다(多) 매질에서 표면 플라즈몬 공명 현상이 측정될 수 있도록 구비된 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 장치를 제공한다.

종래의 표면 플라즈몬 공명 장치는 액상의 매질에 대해서만 SPR 현상을 관찰, 분석하는 용도로 제작, 사용되어 왔다. 매질의 굴절률에 의해 SPR 각은 크게 변화하므로, 기상과 액상의 각각의 경우 표면 플라즈몬 공명각은 서로 크게 차이가 나게 되며, 따라서 기계적 조절 없이는 일반적인 표면 플라즈몬 공명장치에서 매질 에 관계없이 표면 플라즈몬 공명 현상을 관찰하기 어렵다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 언급된 프리즘(SF10, 굴절율 약 1.7)을 사용할 경우, 일반적으로 기상의 매질에서 표면 플라즈몬 공명각이 32 근방에서 나타나며, 액상의 매질에서 65도로 나타난다. 종래에는 이렇게 큰 입사각의 차이가 존재하는 경우, 매질의 종류에 따라 프리즘을 교체하거나 또는 입사각을 조절하는 등의 기계적인 조작이 필요하게 된다.

상술한 바 있는 미국 특허 제6,594,018호의 경우 종래의 분석장치에 비하여 수렴각이 30도 정도로 비교적 크게 조절되어 있지만, 이 경우에도 회전 이동 또는 프리즘 교체를 하여야만, 다양한 매질에서의 표면 플라즈몬 공명 각도를 측정할 수 있다는 한계가 있었다. 입사각을 조정하여 SPR 현상을 측정하는 종래의 표면 플라즈몬 공명 장치의 예는 도1에 상세히 나타나 있다. 이 경우에는 모터 등을 이용하여 광학 프리즘과 반응셀을 회전시킴으로써 레이저 광의 입사각을 조절할 수 있는 구조를 일반적으로 갖고 있었다.

그러나, 본 발명의 공명 장치는 입사각의 폭을 매우 넓게 하기 위하여 레이저 광의 수렴각이 광폭(55~70도)으로 조절된 구조를 채택함으로써, 매질의 종류에 제한없이 시료의 SPR 분석이 가능한 장점이 있다. 즉, 본 발명은 다(多) 매질에서 표면 플라즈몬 공명 현상을 측정할 수 있는 장치로서, 종래와 같이 입사각 조절을 위해 광학 장치의 회전이 불필요하다는 특징이 있다.

또한, 본 발명에서는 광소자가 1차원적 또는 2차원적으로 배열된 어레이 구조를 채택하고 있는데, 이는 수렴각이 큰 레이저 광을 이용함에 따라 수반되는 광 폭의 반사광을 센싱하기에 적합한 구조이다. 이러한 광 소자 어레이 구조를 통해 다양한 각도의 반사광에 대한 광량을 동시에 센싱하여 필요한 데이터를 한 번에 읽을 수 있어, 시료의 분석 효율을 크게 향상시킬 수 있다는 점에 특징이 있다.

뿐만 아니라, 기존의 공명 장치의 경우 광학 프리즘, 반응셀 등의 장치를 회전 시킴에 따른 장치의 얼라인(aline) 문제 또는 잘못된 얼라인으로 인한 실험 오차의 문제가 있었다. 그러나, 본 발명의 경우 초기 셋팅 후 원칙적으로 장치의 얼라인 문제가 발생하지 않기 때문에, 이로 인한 상술한 문제를 해결할 수 있다는 장점이 있다.

이하 도면을 참고하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 이는 본 발명을 더욱 상세히 설명하기 위함이지, 본 발명의 보호범위를 이에 한정하고자 하는 것이 아님은 명확할 것이다.

도 2는 본 발명의 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용한 광학적 분석 장치의 바람직한 실시예를 도시한 것이고, 도 3은 일 실시예에 따른 정면도이며, 도 4는 그 측면도이다. 도 2 내지 도 4에서 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명 장치는 크게 레이져 모듈(100), 광학계(200), 광학 프리즘(300), 반응셀(400), 광센서 어레이 모듈(500)을 포함하여 구성된다.

상기 구성 요소 들을 배치하거나 각각을 고정시키는 방법에 특별한 제한이 있는 것은 아니지만, 도 2 내지 4에 도시된 바와 같이, 레이저 모듈 고정기(101), 광학계 고정기(201), 광학 프리즘(300)과 검출 칩(400)을 고정하기 위한 측정 대상 고정기(410), 광센서 어레이 고정기(501)를 사용하여 고정하는 것이 바람직하다. 각각의 고정기는 광학적 성능 향상을 위해서 높낮이 및 고정 위치의 조정이 가능한 형태로 제작될 수 있다.

본 발명의 표면 플라즈몬 공명 장치의 일 구성 요소인 상기 레이저 모듈(100)은 레이저 광이 발생하는 장치로서 상기 레이저 모듈로부터 발생되는 레이저 광은 단파장 또는 다중파장을 가질 수 있다. 예를 들어, 635 nm 의 단파장을 방사하며 P 편광판과 슬릿이 구비된 레이저 광 발생장치를 사용할 수 있다.

본 발명을 이루는 또 하나의 구성요소는 상기 레이저 모듈에서 발생되는 레이저 광을 확산-수렴시키는 광학계(200)이다. 본 발명에서 새롭게 도입한 광학계(200)는 레이저 광을 확산하고, 이를 다시 수렴시키기 위한 장치로서, 표면 플라즈몬 공명 장치에 사용될 수 있는 광학계의 구조에 특별한 한정이 있는 것은 아니지만 예를 들어 도 5와 같이 구비됨이 바람직하다.

도 5에 도시된 광학계는 오목렌즈, 볼록렌즈, 구형렌즈가 구비되는데, 레이저 모듈로부터 입사되는 광은 상기 렌즈를 통해 확산, 수렴 및 광학 수차보정을 통해 금박막 코팅 유리판에 쐐기 모양으로 수렴하게 되며 55~70도 까지의 수렴각을 가질 수 있다. 여기서 수렴각(도 2에서 각도 a에 해당 함)이라 함은 광학 프리즘을 통해 수렴하는 레이저 광의 내각을 의미한다. 일반적으로 레이저 광의 중심축과 광학프리즘의 입사면은 수직이므로, 상기와 같은 수렴각을 갖는 레이저 광이 입사될 경우, 레이저 광이 존재하는 영역(입사각의 영역)은 광학 프리즘과 10~17.5도와 80~72.5도의 범위 사이에 걸쳐 존재하게 된다.

도 5에 도시된 광학계의 구조에 대하여 더욱 상세히 설명하면, 오목 렌즈(211)는 양면의 오목한 구조를 가진 것으로, 입사 방향의 오목면의 직경과 곡률반경이 투과방향의 오목면에 비하여 작은 것을 사용한다. 다음, 볼록 렌즈(212)는 입사 방향은 평평하지만 투과 방향에는 구형의 볼록 면이 형성되어 있는데, 상기 연속된 오목 렌즈와 볼록 렌즈를 통하여 레이저의 광은 확산(반경이 넓어짐)된다. 다음의 볼록 렌즈(213)는 입사면에 비하여 투과면의 곡률 반경이 작은 비대칭 렌즈로서, 확산되고 있는 레이저 광을 수렴되는 방향으로 굴절시키는 역할을 한다. 상기 볼록 렌즈에 인접한 렌즈는 비대칭이고 두께가 충분히 큰 구면 렌즈(214)로서, 레이저 광을 쐐기 모양으로 수렴시키는 작용을 한다.

예를 들어, 635 nm 단파장 레이저 모듈(100)로부터 방사된 직경 3 mm의 평행한 레이저 광원을 도 4의 광학계를 통과시킴으로써 금박막이 코팅된 유리판에 약 60도의 수렴시킬 수 있고, 이 때 수렴되는 레이저 광의 직경을 약 100 마이크로 미터 이내에서 집중시킬 수 있다.

광학계를 통하여 형성되는 초점의 크기는 규명하고자 하는 바우스(vaus)의 크기를 의미하므로 초점의 크기가 작을수록 미세한 분석이 가능하다. 입사되는 광의 일부는 금속 박막에 흡수되고, 일부는 반사되어 광 센싱을 하는 광 다이오드에서 검지된다.

기존의 공명 장치의 경우 광학 프리즘으로 입사되는 레이저 광의 수렴각이 협소하기 때문에 표면 플라즈몬 공명각을 찾기 위해 광학 프리즘과 반응셀을 일정한 각도로 회전시킨 후 다시 공명 현상을 측정하는 번거로움이 있었으나, 본 발명 의 경우 수렴각이 55~70도 까지 조절되므로 매질의 종류에 상관없이 표면 플라즈몬 공명 현상을 확인할 수 있고, 공명각을 찾기 위한 광학 프리즘과 반응셀의 이동 없이 시료를 분석할 수 있다는 장점이 있다.

프리즘과 반응셀을 회전 시킬 필요가 없다는 것은 단순히 분석 시간을 단축시키는 데 장점이 그치는 것이 아니다. 기존의 분석 장치와 달리 본 발명은 반응셀 등을 회전 시킬 필요도 없고, 회전 시킨 후 레이저 모듈과 프리즘, 반응셀, 광선세 등의 얼라인을 조절할 필요가 없기 때문에, 회전 등으로 인해 얼라인을 재조정하기 위한 장치와 절차가 불필요하다는 장점이 있다. 또한, 상기 장치들의 얼라인 조절시 수반되는 얼라인 오차는 시료를 분석하는데 치명적인 오류의 원인이 될 수 있음을 고려할 때, 본 발명의 경우 원칙적으로 광학 장치의 회전 이동 없이도 시료를 분석할 수 있기 때문에, 시료 분석의 정확성을 상당히 향상시킬 수 있다.

본 발명의 표면 플라즈몬 공명 장치를 이루는 또 하나의 구성요소는 광학 프리즘(300)이다. 상기 광학 프리즘은 광학계를 통과한 레이저 광이 입사되고, 입사된 광을 후술하는 광센서 어레이 모듈의 방향으로 반사시키는 작용을 한다.

표면 플라즈몬 공명 현상의 발생 조건을 만족시키기 위해는 고굴절 프리즘을 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 굴절률 약 1.7이고, SF10 재질로 제작된 광학 프리즘을 사용할 수 있으나, 사용자의 필요에 따라 BK7 등의 다른 광학 유리 재질로 변경이 가능하다. 단, 본 발명의 경우 SF10 재질의 경우에서만 매질이 대기와 수용액 모두의 경우에서 표면 플라즈몬 공명현상의 발생 조건을 만족한다.

본 발명의 표면 플라즈몬 공명 장치에서 분석하고자 하는 시료가 놓여지는 곳이 반응셀(cell)이다. 반응셀(400)은 크게 내부에 놓여지는 시료와, 시료를 검출하기 위한 검출칩을 포함하는 구조를 일반적으로 갖는데, 상기 검출칩은 시료에 따라 그 구조 및 성분이 상이하여 시료에 따라 다르게 선택될 수 있다.

도 2에는 반응셀의 구조의 예가 도시되어 있다. 여기서 검출칩(401)은 투명한 지지층, 상기 투명한 지지층 이면에 코팅되며 표면 플라즈몬 파를 여기시킬 수 있는 금속이 코팅된 금속 박막층, 상기 금속 박막층 이면에 형성되며 분석하고자 하는 시료가 고정되는 센싱 레이어(sensing layer)가 순차적으로 적층된 구조를 가지며(도 1 참고), 상기 검출칩 이면의 공간은 시료가 매질과 함께 놓여지는 공간인데, 이러한 반응셀의 구조는 검출하고자 하는 시료에 따라 달라질 수 있음은 물론이다.

상기 투명한 지지층은 유리 또는 실리카 재질의 기판을 사용할 수 있고, 광학 프리즘의 재료와 동일한 것을 사용하는 것이 바람직하다.

상기 금속 박막층은 광학 프리즘을 통하여 입사되는 레이저 광을 반사시키고, 이와 동시 표면 플라즈몬 파를 여기 시키는 작용을 한다. 광학 프리즘을 통해 금속 박막층으로 입사되는 레이저 광과 금속 박막층이 일정한 각을 가질 때, 반사광량이 크게 감소하는 현상 즉, 표면 플라즈몬 공명 현상이 관측되는데, 이를 통해 시료를 분석할 수 있다. 상기 반사 광량에 대한 데이터는 후술하는 광센서 어레이 모듈을 통해 측정되며, PC 등의 정보처리장치를 통해 분석 된다.

표면 플라즈몬 파를 여기 시킬 수 있는 금속으로는 금(Au), 은(Ag), 동(Cu) 등이 있는데, 이러한 금속은 상기 투명 지지층에 진공 증착, 열 증착 등의 방식으 로 형성시킬 수 있다. 그리고 상기 투명 지지층과 금속 박막 층의 접착을 돕고, 칩 표면의 탈리를 방지하기 위하여 크롬 층을 더욱 형성시키는 것이 바람직하다.

상기 센싱 레이어는 측정하고자 하는 시료 중의 특정 물질과 흡착 또는 결합 할 수 있는 재료로 이루어지며, 센싱 레이어 층의 재료는 측정하고자 하는 물질의 종류에 따라 상이하며 이는 당업자에 의하여 용이하게 결정될 수 있다.

상술한 바와 같은 검출 칩(401) 구조체의 센싱 레이어 측에는 시료가 매질을 매개로 하여 놓여진다. 본 발명의 경우 다양한 매질(공기, 수용액, 유기 용매 등)에서 표면 플라즈몬 공명 각도가 측정될 수 있기 때문에, 매질의 종류에 제한이 없다는 장점이 있다.

도 3에는 상기 광학 프리즘(300)과 반응셀(400)을 고정하기 고정기(410)가 도시되어 있다. 표면 플라즈몬 공명 현상을 측정하고자 하는 대상인 반응셀(400)은 광학 프리즘과 함께 상기 고정기(410)에 고정된다. 예를 들어, 상기 고정기(410)는 고정기 상부 유닛(410a)과 ,x,y,z 축 방향으로 이동이 가능한 스테이지 구조를 포함하여 이루어진다. 상기 스테이지 구조는 z 방향의 이동을 위한 스테이지(411), y 방향의 이동을 위한 스테이지(412), x 방향 이동 스테이지(413)의 구조를 가질 수 있는데, 이를 통해 금박막 표면이 센서칩으로써 패턴화시키고, 패턴 영역과 비 패턴 영역을 구분하여 표면 플라즈몬 공명 현상의 차이를 확인하는 것이 가능하다.

또한, 도면에 도시되지는 않았지만, 고정기 상부 유닛(410a)위에는 원하는 분석의 형태에 따라 미세 유체 관로 형태의 분석 시료 주입부나 1회성 샘플의 저장부가 도입될 수 있다.

기존의 표면 플라즈몬 공명 장치에서는 미세 유체 관로 형태의 분석 시료 주입부가 도입되며, 이러한 경우 미세관로에 수용액이 주입된 경우에서만 표면 플라즈몬 공명현상의 관찰이 가능하였다. 하지만, 본 발명에서는 시료가 놓여지는 매질을 공기로 할 경우에도 표면 플라즈몬 공명 현상의 관찰이 가능하므로, 분석하고자하는 금 박막 샘플(302)의 고정화만 이루어지는 경우에도 표면 플라즈몬 공명현상의 측정이 가능하다.

또한, 프리즘(300)과 검출칩(401)의 사이에는 계면의 빛의 굴절이나 반사가 이루어지지 않게 인덱스 매칭 리퀴드(index matching liquid)가 삽입되는 것이 바람직하다. 이를 통하여 프리즘(300)과 인접하는 투명 지지층은 하나의 재질로 이루어진 것과 같은 광학적 특성을 지닐 수 있기 때문이다.

본 발명의 표면 플라즈몬 공명 장치를 이루는 또 하나의 구성요소는 반사되는 레이저 광의 반사광량을 검지하는 광 센서가 배열된 광센서 어레이 모듈(500)이다. 상기 광센서 어레이 모듈은 광학 프리즘으로부터 반사되는 반사광량을 감지하기 위한 광소자가 1차원적 또는 2차원적으로 배열되는 구조를 갖는다. 상기 광소자는 광학 다이오드(photodiode), 광증폭기(photomultiplier, PMT), 촬상소자(charge coupled device, CCD) 등을 사용할 수 있다.

본 발명에서와 같이 입사되는 레이저 광의 수렴각이 55~70도로 조절될 경우 반사되는 레이저 광의 경우에도 이와 동일한 각도의 범위를 유지하면서 광폭으로 확산되기 때문에, 이러한 반사광의 광량(각각의 입사각에 대응하는 반사광량)을 동시에 측정하기 위해서는 다수개의 광 소자가 배열된 구조의 광센서 어레이 모듈이 필요하다. 상기 다수의 광 소자로부터 측정되는 광량에 대한 전기 신호는 후술하는 데이터프로세싱 부로 전달되며, 소정의 연산, 판독 과정을 거쳐 SPR 각도와 SPR 각에서의 최소 광량을 측정할 수 있게 된다.

상기 광 센서 어레이 모듈의 예로서, 반사광량의 차이를 전기신호로 컴퓨터로 전달해 주기 위한 다이오드 어레이 형태의 광(光) 측정기를 사용할 수 있다. 광(廣) 폭의 반사 광량을 검지하기 위해서 2048개의 CCD 센서 어레이 구성을 채택할 수 있으며, 이를 통해 각 입사각에서 나온 반사광을 2048개의 분해능으로 인식할 수 있다. 수렴각이 60도의 범위의 입사각인 경우 각 분해능은 0.03도가 된다. 실제 표면 플라즈몬 각의 변화는 이보다 미미할 수도 있으나, 반사광량의 차이를 통하여 표면 플라즈몬 각을 계산할 경우 실제 다이오드 어레이 센서의 분해능 보다 더 적은 각의 변화도 계산이 가능하다. 이에 대해서는 소프트웨어적인 분석이 추가 될 수 있다. 일반적으로 광 센서 어레이 모듈에서 얻어지는 전기적인 신호는 데이터프로세싱부가 구비된 컴퓨터로 전달된다.

본 발명의 표면 플라즈몬 공명장치는, 상술한 광 센서 어레이 모듈로부터 얻어지는 전기적인 신호로부터 시료의 특성을 분석하기 위한 데이터프로세싱부를 더 포함할 수 있다.

일반적으로는 정보의 저장, 연산이 가능한 마이크로컴퓨터, PC 등을 이용하고, 상기 검출칩에 입사되는 입사각에 따른 반사광량의 관계에 대한 데이터를 입력하여, 시료의 특성을 분석하는 프로세싱을 수행할 수 있다. 반사 광량에 대한 데이터는 광소자에서 주기적으로 얻어지는 데이터를 평균값 연산 처리함으로써 얻어지 는 반사광량의 평균값을 데이터로서 활용함으로써 외부 변수에 의한 노이즈를 줄일 수 있다.

본 발명의 또 다른 일 태양으로, 본 발명은 표면 플라즈몬 파를 여기 시키는 금속 박막층에 인접하는 시료를 분석하기 위한 표면 플라즈몬 공명 장치로서, 상기 표면 플라즈몬 공명 장치는 레이저 광이 발생되는 레이저 모듈과 광학프리즘 사이에 레이저 모듈에서 발생되는 레이저 광을 확산-수렴시키는 광학계와, 상기 광학 프리즘으로부터의 반사광량을 측정하기 위한 광소자가 배열된 광센서 어레이 모듈을 더욱 구비된 표면 플라즈몬 공명 장치를 제공한다.

상기 표면 플라즈몬 공명 장치는 앞서 설명한 장치와 비교할 때, 레이저 광이 광폭으로 입사될 수 있는 광학계를 사용하였다는 점과, 광폭으로 반사되는 반사광의 광량을 측정하기 위하여 광소자가 배열되어, 모든 입사각의 범위에 따른 각각의 반사광량을 측정할 수 있는 어레이 구조를 채택하였다는 점에서, 앞서 설명한 공명 장치와 기본 맥락은 동일하며, 각각의 구체적인 내용에 대하여는 이미 설명한 바 있다.

실제 표면 플라즈몬 공명 현상 분석 과정의 예는 도 6에 나타나 있다. 우선 레이저 모듈(100)에서 방사되는 레이저 광은 광학계(200)를 거침으로써 입사각의 범위가 60도로 확장되게 되며, 이는 프리즘(300)을 통하여 반응셀(400)의 검출칩(401)에 정확히 집중되게 된다.

이 경우 고정대(410a)와 광학계(200)의 위치와 각도의 조정으로 실 입사각은 15에서 75도 범위에 이르게 되며, 검출칩(401) 특히 금 박막 코팅 유리판에 의해서 반사된 레이저 광은 다시 프리즘(300)을 거쳐서 다이오드 어레이 센서(500)로 향하게 된다. 상기 센싱을 통해 입사각 별로 반사된 광의 광량을 측정하고, 측정된 전기적인 신호를 컴퓨터에 전달하게 된다.

이때 고정대(410a)는 x, y, z 스테이지에 의해서 이동이 가능하므로, 반응셀, 검출칩을 입사광에 대하여 2차원적으로 이동 시킬 수 있다. 실제 x, y, z 스테이지는 y 방향은 고정화 되고, x, z 방향으로만 이동함으로써 입사광에 대한 초점거리의 변화 없이 금박 코팅된 검출칩을 2차원적으로 이동 시켜 표면 플라즈몬 공명현상을 2차원 적으로 분석할 수 있다. 이는 검출 칩의 표면이 2차원적으로 불균일하게 조성되었을 경우, 이에 대한 다양한 표면 플라즈몬 공명 현상을 쉽게 측정할 수 있다.

하나의 금 박막 센서칩에서 하나의 표면 플라즈몬 공명 현상을 확인하는 기존의 방식과 달리, 상기와 같은 구조를 통해 본 발명은 2차원 상으로 다양한 표면 플라즈몬 공명현상의 관찰이 가능하게 된다. 이러한 x, y, z의 스테이지가 전기적으로 제어 가능한 모터가 장착될 될 경우, 각 위치 정보에 대한 데이터를 컴퓨터로 제어할 수 있으며, 2차원 표면 플라즈몬 공명현상의 지도를 그릴 수 있다.

상술한 실시예와 도면의 내용은 본 발명을 상세히 설명하기 위한 것이지, 본 발명의 권리 범위를 이에 한정되지 않음은 물론이다. 또한, 본 발명 보호 범위는 후술하는 청구범위 뿐만 아니라, 당업자가 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경할 수 있는 균등 범위를 포함하여 판단되어야 한다.

본 발명의 표면 플라즈몬 공명 장치는 레이저 광의 입사각 범위가 넓게 조절되어 있기 때문에, 매질의 종류에 따라 프리즘을 교체하거나 또는 입사각을 조절하기 위해 광학 장치를 회전시키는 등의 기계적인 조작 과정 없이 SPR 현상을 용이하게 측정할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 본 발명은 다양한 각도의 반사광에 대한 광량을 동시에 센싱하여 필요한 데이터를 한 번에 읽을 수 있어, 시료의 분석 효율을 크게 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.

기존의 공명 장치의 경우 광학 프리즘, 반응셀 등의 장치를 회전시킴에 따른 장치의 얼라인(aline) 문제 또는 잘못된 얼라인으로 인한 실험 오차의 문제가 있었으나, 본 발명의 경우 초기 세팅 후 원칙적으로 장치의 얼라인 문제가 발생하지 않기 때문에, 이로 인한 상술한 문제를 해결할 수 있다는 장점이 있다.

Claims (6)

1. 표면 플라즈몬 공명 장치에 있어서,

   레이저 광이 발생되는 레이저 모듈 ; 상기 레이저 모듈에서 발생되는 레이저 광을 확산-수렴시키는 광학계 ; 상기 광학계를 통과한 레이저 광이 입사되는 광학 프리즘 ; 분석하고자 하는 시료가 놓여지는 반응셀(cell) ; 및 상기 광학 프리즘으로부터의 반사광량 측정하는 광 센서가 배열된 광센서 어레이 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 장치
2. 제1항에 있어서, 상기 광학계는 상기 광학 프리즘으로 입사되는 레이저 광을 쐐기 형태로 수렴시키되, 상기 수렴되는 레이저 광의 수렴각은 55~70°이 되도록 구비된 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 광센서 어레이 모듈은 광학프리즘으로부터 반사되는 반사광량을 감지하기 위한 광소자가 1차원적 또는 2차원적으로 배열되는 구조를 갖는 것이고, 상기 광소자는 광학 다이오드(photodiode) 또는 광증폭기(photomultiplier, PMT) 또는 촬상소자(charge coupled device, CCD)인 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 표면 플라즈몬 공명 장치는 상기 광학 프리즘과 반응 셀을 고정시키기 위한 고정대를 더욱 포함하고, 상기 고정대는 2차원 상 또는 3차원 상 에서 이동 또는 회전이 가능하도록 구비되어, 광학 프리즘으로 입사되는 레이저 광의 입사각을 조절할 수 있도록 구비됨을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 표면 플라즈몬 공명 장치는 상기 광센서 어레이 모듈로부터 얻어지는 반사광량에 대한 데이터를 이용하여 시료의 특성을 분석하는 데이터프로세싱부를 더욱 포함하며, 상기 데이터프로세싱부는 상기 광학 프리즘으로 입사되는 레이저 광의 입사각과 반사 광량의 관계에 대한 데이터를 이용하여 시료의 특성을 분석하는 프로세싱을 수행하되, 상기 반사광량에 대한 데이터는 평균값 연산처리를 통해 얻어지는 반사광량의 평균값인 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 장치.
6. 표면 플라즈몬 파를 여기 시키는 금속 박막층에 인접하는 시료를 분석하기 위한 표면 플라즈몬 공명 측정 장치에 있어서,

   상기 표면 플라즈몬 공명장치는 레이저 광이 발생되는 레이저 모듈과 광학프리즘 사이에 레이저 모듈에서 발생되는 레이저 광을 확산-수렴시키는 광학계와, 상기 광학 프리즘으로부터의 반사광량을 측정하기 위한 광소자가 배열된 광센서 어레이 모듈이 구비됨으로써, 다(多) 매질에서 표면 플라즈몬 공명 현상이 측정될 수 있도록 구비된 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 장치

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