KR20080051002A - Surface plasmon resonance sensor and system capable of absolute calibration - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 표면 플라즈몬 공명(Surface Plasmon Resonance, SPR) 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 표면 플라즈몬 공명 이미징 센서(SPR Imaging, SPRI)를 통하여 획득한 측정대상물질의 공간적인 굴절률 변화를 나타낸 이차원 이미지 각 픽셀에서의 굴절률 변화를 절대보정(absolute calibration)할 수 있는 표면 플라즈몬 공명 센서에 관한 것이다. The present invention relates to a Surface Plasmon Resonance (SPR) sensor, and more particularly, to a two-dimensional image angle showing a spatial refractive index change of a measurement target material obtained through a Surface Plasmon Resonance Imaging Sensor (SPR Imaging, SPRI). A surface plasmon resonance sensor capable of absolute calibration of refractive index changes in a pixel.
표면 플라즈몬(surface plasmon) 이란, 금속박막의 표면을 따라 전파하는 자유전자의 양자화된(quantized) 진동모드(vibration mode)을 말한다. 이러한 표면 플라즈몬은, 프리즘과 같은 유전매체(dielectric material)를 지나 유전매체의 임계각 이상의 각도를 가지고 금속박막에 입사하는 입사광에 의하여 여기되어 공명(resonance)을 일으킨다. 이를 표면 플라즈몬 공명(이하, SPR)이라고 한다. SPR이 일어나는 입사각 즉, SPR각은 금속박막에 근접한 물질의 굴절률 변화에 매우 민 감하다. SPR 센서는 상술한 특성을 이용하여 금속박막에 근접한 물질 즉, 측정대상물질의 굴절률 변화로부터 측정대상물질의 정량분석, 정성분석, 두께 또는 농도를 측정할 수 있다.Surface plasmon refers to a quantized vibration mode of free electrons propagating along the surface of a metal thin film. These surface plasmons are excited by incident light incident on the metal thin film at an angle above the critical angle of the dielectric medium through a dielectric material such as a prism to cause resonance. This is called surface plasmon resonance (hereinafter SPR). The incident angle at which SPR occurs, that is, the SPR angle, is very sensitive to the change in refractive index of the material close to the metal thin film. The SPR sensor may measure quantitative analysis, qualitative analysis, thickness, or concentration of the measurement target material from the refractive index change of the material, that is, the measurement target material, that is close to the metal thin film using the above-described characteristics.
SPR을 센서로 응용하려는 시도는 1982년 C. Nylander와 B. Liedberg에 의해 처음으로 제안되었다.[C. Nylander and B. Liedberg, “Gas detection by means of surface plasmons resonance”, Sensors and Actuators 3, pp. 79-88, 1982.] 그 후, SPR 센서는 생체분자의 상호작용을 형광물질과 같은 표지자 없이 측정할 수 있는 대표적인 비표지 방식(non-labeling) 바이오센서 시스템의 하나로 자리 잡게 되었으며, 스웨덴의 Bicore AB사에서 1990년 최초로 상용화에 성공한 이후, 현재에는 많은 바이오 관련 연구자들에 의해 이용되는 보편적인 센서 시스템으로 정착되었다.(US 5641640, US 5965456) An attempt to apply SPR as a sensor was first proposed in 1982 by C. Nylander and B. Liedberg. Nylander and B. Liedberg, “Gas detection by means of surface plasmons resonance”, Sensors and Actuators 3, pp. 79-88, 1982.] Since then, SPR sensors have become one of the representative non-labeling biosensor systems that can measure the interaction of biomolecules without markers such as phosphors. Since the first commercialization of AB in 1990, it has now become the universal sensor system used by many biotech researchers (US 5641640, US 5965456).
도 1a는 종래기술에 따른 각도변환형(angle interrogated) SPR 센서를 도시한 단면도이다.1A is a cross-sectional view of an angle interrogated SPR sensor according to the prior art.
도 1a를 참조하면, 종래기술에 따른 각도변환형 SPR 센서는 투광 기판(11), 기판(11) 상부에 형성된 금속박막(12), 금속박막(12)과 광학적으로 결합(optically coupled)되도록 기판(11) 하부에 형성된 프리즘(13), 프리즘(13)으로 광을 제공하는 광원(14) 및 기판(11)으로부터 반사된 광을 감지하는 수광부(15)를 포함한다. 이때, 측정대상물질(16)은 금속박막(12) 상에 위치하게 된다. Referring to FIG. 1A, the angle conversion type SPR sensor according to the related art is a substrate that is optically coupled to the
종래기술에 따른 SPR 센서는 프리즘(13)으로 입사하는 입사광의 각도 변화에 따른 SPR각도의 변화와 반사율(reflectivity)의 변화를 수광부(15)를 통해 측정함 으로써 측정대상물질(16)의 어느 한 점(point) 또는 픽셀(pixel)에서의 굴절률 변화를 정확히 측정할 수 있다. 하지만, 굴절률의 변화를 측정하는 범위가 국부적이기 때문에 공간적으로 분포된 측정대상물질(16) 전체의 굴절률 변화를 측정하기 위해서는 많은 시간이 소요되는 문제점이 있다. The SPR sensor according to the related art measures the change in the SPR angle and the change in reflectivity according to the change in the angle of incident light incident on the
이를 해결하기 위하여 1987년과 1988년에 입사되는 광의 각도와 파장을 고정하고, 이차원의 확장된 입사광을 이용하여, 금속박막 위의 각 점(pixel)에서의 측정대상물질의 굴절률 변화를 영상으로 측정하는 표면 플라즈몬 공명 이미징 센서(이하 SPRI) 또는 표면 플라즈몬 현미경(Surface Plrasmon Microscopy, 이하 SPM)이 제안되었다.[Yeatman,E. and Ash,E.A, Electron Lett, 1987, 23, pp.1091-1092, 및 Rothenhausler,B. and Knoll,W., Nature, 1988, 332, pp.615-617]In order to solve this problem, the angle and wavelength of light incident in 1987 and 1988 were fixed, and two-dimensional extended incident light was used to measure the change in refractive index of the material to be measured at each pixel on the metal thin film. Surface plasmon resonance imaging sensor (SPRI) or Surface plasmon microscopy (SPM) has been proposed. and Ash, E. A, Electron Lett, 1987, 23, pp. 1091-1092, and Rothenhausler, B. and Knoll, W., Nature, 1988, 332, pp. 615-617].
도 1b는 종래기술에 따른 SPRI를 도시한 단면도이다.Figure 1b is a cross-sectional view showing a SPRI according to the prior art.
도 1b를 참조하면, 종래기술에 따른 SPRI는 기판(11), 기판(11) 상부에 형성된 금속박막(12), 금속박막(12)과 광학적으로 결합되도록 기판(11) 하부에 형성된 프리즘(13), 프리즘(13)으로 광을 제공하는 광원(14) 및 기판(11)으로부터 반사된 광을 감지하는 수광부(15)를 포함한다. 이때, 측정대상물질(16)을 금속박막(12) 상에 위치하게 된다.Referring to FIG. 1B, the SPRI according to the related art includes a
종래기술에 따른 SPRI는 광원(14)에서 제공되는 광을 이차원 평행광으로 확장시켜 프리즘(13)에 입사시키고, 기판(11)에서 반사되어 나오는 광을 각 픽셀단위로 측정할 수 있는 다중채널(multiple channel) 수광소자 예컨대, CCD(Charge-Coupled Device) 카메라를 사용하여 측정대상물질(16)의 공간적인 굴절률 변화를 측정하여 이차원 이미지로 획득할 수 있다. 따라서, 측정대상물질(16) 전체의 굴절률 변화를 빠른 시간안에 측정할 수 있다. The SPRI according to the related art expands the light provided from the
상술한 종래기술에 따른 SPRI은 공간적인 굴절률 변화를 이차원 영상으로 획득하기 위하여 금속박막(12) 상의 각 픽셀에서 측정대상물질(16)의 굴절률 차이에 따른 명암차(difference image)를 영상화하는 방법을 사용한다. 이때, 굴절률에 따른 상대적인 명암 차이는 프리즘(13), 금속박막(12)의 종류(유전성질, dielectric properties), 금속박막(12)의 두께, 광원(14)의 파장 또는 입사각도에 따라 달라지기 때문에 측정대상물질(16)의 각 픽셀에서의 절대적인 굴절률의 변화를 측정할 수 없는 문제점이 있다. SPRI according to the prior art described a method for imaging the difference image (contrast difference) according to the refractive index difference of the
본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, SPRI를 통하여 획득한 측정대상물질의 공간적인 굴절률 변화를 나타낸 이차원 이미지 각 픽셀에서의 굴절률 변화를 절대적으로 보정할 수 있는 표면 플라즈몬 공명 센서를 제공하는데 그 목적이 있다. The present invention has been proposed to solve the problems of the prior art, a surface plasmon resonance sensor that can absolutely correct the refractive index change in each pixel of the two-dimensional image showing the spatial refractive index change of the measurement target material obtained through SPRI The purpose is to provide.
상기 목적을 달성하기 위한 일 측면에 따른 본 발명의 표면 플라즈몬 공명 센서는 투광 기판; 상기 기판의 일측면에 형성되고, 기판의 중심축을 기준으로 서로 대칭되도록 형성된 제1프리즘 및 제2프리즘; 상기 프리즘으로 광을 제공하는 광학계 및 상기 기판에서 반사되는 광을 감지하는 수광부를 포함하고, 상기 제1프리즘을 통해 측정대상물질의 SPR각도 변화를 측정할 수 있으며, 상기 제2프리즘을 통하여 상기 측정대상물질의 각 픽셀에서의 굴절률 변화를 이차원 명암 차이 영상으로 얻을 수 있다. 이때, 상기 제1프리즘은 반원통형프리즘일 수 있으며, 상기 제2프리즘은 삼각형프리즘 또는 사다리꼴프리즘일 수 있다. Surface plasmon resonance sensor of the present invention according to an aspect for achieving the above object is a translucent substrate; A first prism and a second prism formed on one side of the substrate and formed to be symmetrical with respect to the center axis of the substrate; An optical system for providing light to the prism and a light receiving unit for sensing the light reflected from the substrate, it is possible to measure the SPR angle change of the measurement target material through the first prism, the measurement through the second prism The refractive index change in each pixel of the target material may be obtained as a two-dimensional contrast image. In this case, the first prism may be a semi-cylindrical prism, and the second prism may be a triangular prism or a trapezoid prism.
상기 광학계는 이차원의 확장된 단색광을 초점조절하여 상기 제1프리즘으로 입사시킬 수 있고, 단색광을 이차원 평행광으로 만들어서 상기 제2프리즘으로 입사시킬 수 있다. The optical system may focus the two-dimensional extended monochromatic light into the first prism and make the monochromatic light into the two-dimensional parallel light to enter the second prism.
또한, 본 발명의 표면 플라즈몬 공명 센서는 상기 프리즘과 광학적으로 결합 되도록 상기 프리즘이 형성된 기판의 반대면에 형성된 금속박막을 더 포함할 수 있으며, 상기 금속박막은 금(Au), 은(Ag) 및 구리(Cu)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나일 수 있다. In addition, the surface plasmon resonance sensor of the present invention may further include a metal thin film formed on the opposite surface of the substrate on which the prism is formed to be optically coupled to the prism, the metal thin film is gold (Au), silver (Ag) and It may be any one selected from the group consisting of copper (Cu).
상기 기판 및 상기 프리즘은 광학유리 또는 광학플라스틱으로 형성할 수 있으며, 상기 프리즘은 상기 기판과 동일한 굴절률을 갖는 물질로 형성하는 것이 바람직하다. 이때, 상기 광학유리는 BK7 또는 SF11일 수 있고, 상기 광학플라스틱은 메타크릴산메탈수지(Polymethly methacrylate, PMMA), 폴리탄산에스테르(Polycarbonate, PC) 및 환형올레핀공중합체(Cyclic Olefin Copolymer, COC)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나일 수 있다. The substrate and the prism may be formed of optical glass or optical plastic, and the prism may be formed of a material having the same refractive index as that of the substrate. In this case, the optical glass may be BK7 or SF11, and the optical plastic may be a polymethly methacrylate (PMMA), a polycarbonate ester (PC), or a cyclic olefin copolymer (Cyclic Olefin Copolymer, COC). It may be any one selected from the group consisting of.
상기 기판과 상기 프리즘을 광학적으로 결합(coupling)시키기 위하여 상기 기판과 상기 프리즘 사이에 개재된 인덱스 매칭 오일(index matching oil) 또는 엘라스토머(elastomer)를 더 포함할 수 있으며, 바람직하게는 상기 기판과 상기 프리즘을 일체형(one body)으로 형성하는 것이 좋다. It may further comprise an index matching oil or elastomer interposed between the substrate and the prism for optically coupling the substrate and the prism, preferably the substrate and the It is preferable to form the prism in one body.
상기 광학계는 광원 및 상기 광원에서 발생하는 광을 TM-mode(Transverse Magnetic)로 편광시키기 위한 편광기를 포함할 수 있다. 이때, 상기 광원으로 복수개의 파장을 갖는 백색광(white light) 또는 단일 파장을 갖는 단색광(monochromatic ligth)을 사용할 수 있으며, 레이저(laser), 발광다이오드(light emitting diode) 및 분광필터(spectral filter)가 구비된 백색광으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나를 사용할 수 있다. The optical system may include a light source and a polarizer for polarizing light generated by the light source in a transverse magnetic (TM-mode). In this case, a white light having a plurality of wavelengths or a monochromatic light having a single wavelength may be used as the light source, and a laser, a light emitting diode, and a spectral filter may be used. Any one selected from the group consisting of white light provided may be used.
또한, 상기 광학계는 상기 광원에서 발생하는 광의 입사각을 임의로 조절할 수 있는 수단을 더 포함할 수 있으며, 이를 위하여 상기 광학계는 광원에서 발생하는 광의 입사각을 조절하기 위한 초점조절용 렌즈를 더 포함할 수 있다. In addition, the optical system may further include means for arbitrarily adjusting the incident angle of the light generated from the light source, for this purpose, the optical system may further include a focusing lens for adjusting the incident angle of the light generated from the light source.
상기 수광부는 포토다이오드(photodiode), 광 증폭기(photomultiplier, PMT), CCD(Charge Coupled Device)카메라 및 감광용지로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나를 사용할 수 있다. The light receiving unit may use any one selected from the group consisting of a photodiode, a photomultiplier (PMT), a charge coupled device (CCD) camera, and a photosensitive paper.
본 발명은 측정대상물질의 공간적인 굴절률 변화를 이차원 이미지로 나타낼 수 있는 SPRI와 측정대상물질의 각 픽셀에서의 굴절률 변화를 정확히 측정할 수 있는 각도변환형 SPR 센서를 하나의 SPR 센서에 집적함으로써, SPRI에서 획득한 측정대상물질의 굴절률 변화를 나타낸 이차원 이미지 각 픽셀에서의 굴절률 변화를 절대보정할 수 있는 효과가 있다. 이를 통하여 SPRI의 응용범위를 더욱 확대할 수 있다.The present invention integrates an SPRI that can represent the spatial refractive index change of the measurement object in a two-dimensional image and an angle conversion type SPR sensor that can accurately measure the change in refractive index of each pixel of the measurement material in one SPR sensor, Two-dimensional image showing the refractive index change of the measurement target material obtained from the SPRI has the effect of absolute correction of the refractive index change in each pixel. This can further extend the scope of application of SPRI.
또한, 본 발명은 다채널 바이오센서 또는 결상 타원계측기(imaging ellipsometer)와 같은 굴절률의 절대적인 변화를 실시간으로 측정할 수 있는 강력한 수단을 제공하는 효과가 있다.In addition, the present invention has the effect of providing a powerful means for measuring in real time the absolute change in refractive index, such as multi-channel biosensors or imaging ellipsometer.
이하 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 설명하기로 한다. 또한 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이며, 층이 다른 층 또는 기판 "상"에 있다고 언급되어지는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판상에 직접 형성될 수 있거나, 또는 그들 사이에 제 3의 층이 개재될 수도 있다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 도면번호로 표시된 부분은 동일한 요소를 나타낸다.Hereinafter, the most preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the technical idea of the present invention. Also in the figures, the thicknesses of layers and regions are exaggerated for clarity, and where it is said that a layer is on another layer or substrate it may be formed directly on another layer or substrate, Alternatively, a third layer may be interposed therebetween. In addition, parts denoted by the same reference numerals throughout the specification represent the same element.
본 발명은 측정대상물질의 공간적인 굴절률의 변화를 이차원 이미지로 획득할 수 있는 SPRI가 갖는 문제점 즉, 측정대상물질의 각 픽셀에서의 굴절률 변화를 정확히 측정할 수 없는 문제점을 해결할 수 있는 수단을 개시한다. 이를 위하여 본 발명은 하나의 SPR 센서에서 측정대상물질의 공간적인 굴절률 변화에 대한 이차원 이미지를 측정할 수 있는 SPRI와 측정대상물질의 각 픽셀에 대한 절대적인 굴절률 변화를 측정할 수 있는 각도변환형 SPR 센서를 하나의 칩에 집적시킨 SPR 센서를 제공한다. The present invention discloses a means for solving the problem of SPRI that can obtain a spatial change of the refractive index of the measurement object as a two-dimensional image, that is, a problem that cannot accurately measure the change in refractive index of each pixel of the measurement material. do. To this end, the present invention is an SPRI that can measure the two-dimensional image of the spatial refractive index change of the measurement target material in one SPR sensor and an angle conversion type SPR sensor that can measure the absolute refractive index change for each pixel of the measurement target material It provides an SPR sensor that is integrated in one chip.
도 2a 내지 도 2b는 본 발명의 SPR 센서를 도시한 단면도로써, 도 2a는 각도변환형 SPR 센서, 도 2b는 SPRI를 도시한 것이다.Figure 2a to 2b is a cross-sectional view showing the SPR sensor of the present invention, Figure 2a is an angle conversion type SPR sensor, Figure 2b shows a SPRI.
도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 SPR 센서는 투광 기판(21), 기판(21)의 일측면에 형성되고, 기판(21)의 중심축을 기준으로 서로 대칭되도록 형성된 제1프리즘(23A) 및 제2프리즘(23B), 프리즘(23)으로 광을 제공하는 광학계 및 기판(21)에서 반사되는 광을 감지하는 수광부(27)를 포함한다. 또한, 표면 플라즈몬을 제공(supporting)하기 위하여 프리즘(23)과 결합되도록 프리즘(23)이 형성된 기판(21)의 반대면에 형성된 금속박막(22)을 더 포함할 수 있다. 금속박막(22)은 금(Au), 은(Ag) 및 구리(Cu)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나로 형성할 수 있으며 이외에도, 알루미늄(Al)과 같은 금속물질 또는 게르마늄(Ge)과 같은 반도체물질로 형성할 수도 있다. 이때, 측정대상물질(28)은 금속박막(22) 상에 위치한다. As shown in FIGS. 2A and 2B, the SPR sensor of the present invention is formed on one side of the
프리즘(23)은 표면 플라즈몬의 여기를 위하여 입사광의 파수벡터(wave vector)를 증가시키는 역할 수행하며, 제1프리즘(23A)은 반원통형프리즘일 수 있으며, 제2프리즘(23B)은 삼각형프리즘 또는 사다리꼴프리즘일 수 있다.The
기판(21)과 프리즘(23)은 서로 동일한 굴절률을 갖고, 적어도 굴절률이 1.5인 투명한 매질 예컨대, 광학유리 또는 광학플라스틱으로 형성할 수 있다. 이때, 광학유리로는 BK7 또는 SF11을 사용할 수 있으며, 광학플라스틱으로는 메타크릴산메탈 수지(Polymethly methacrylate, PMMA), 폴리탄산에스테르(Polycarbonate, PC) 및 환형 올레핀 공중합체(Cyclic Olefin Copolymer, COC)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나를 사용할 수 있다. The
또한, 본 발명의 SPR 센서는 기판(21)과 프리즘(23) 사이를 광학적으로 결합시키기 위하여 기판(21)과 프리즘(23) 사이에 개재된 인택스 메칭 오일(index matching oil) 또는 엘라스토머(elastomer)를 더 포함할 수 있다. 이때, 인택스 메칭 오일 또는 엘라스토머를 사용하여 기판(21)과 프리즘(23)을 광학적으로 결합시킬 경우, 결합과정에서 기판(21)과 프리즘(23) 사이에 기포가 발생하거나, 장시간 사용할 경우 결함(defect)이 발생할 우려가 있다. 따라서, 바람직하게는 기판(21)과 프리즘(23)을 일체형(one body)으로 형성하는 것이 좋다. 예를 들어, 광학플라 스틱을 사용하여 사출성형(injection molding)하면 기판(21)과 프리즘(23)을 일체형으로 형성할 수 있다. In addition, the SPR sensor of the present invention is an index matching oil or elastomer interposed between the
광학계는 광원(24) 및 광원(24)에서 발생하는 광을 TM모드로 편광시키기 위한 편광기(25)를 포함할 수 있다. 이때, 광원으로 복수개의 파장을 갖는 백색광 또는 단일 파장을 갖는 단색광을 사용할 수 있으며, 레이져, 발광다이오드 및 분광필터가 구비된 백색광으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나를 사용할 수 있다. 바람직하게는 광원(24)으로 광학정렬이 쉽고 가격이 저렴한 단색광을 사용하는 것이 좋다. 여기서, 광원(24)이 점광원(point light source)일 경우, 이를 이차원광으로 확장시키기 위한 광확장기(beam expander)를 더 포함할 수 있다.The optical system may include a
편광기(25)는 항상 TM모드인 표면 플라즈몬 파(surface plasmon wave, SPW)와 입사광을 서로 커플링 시키기 위하여 입사광을 TM 모드로 편광시키는 역할을 수행한다. 따라서, 표면 플라즈몬 파와 입사광을 서로 커플링 시킬 수 있도록 입사광의 도입 이전 혹은 기판(21)에서 반사된 이후 수광부(27)에 도달하기 이전에 편광기(25)을 이용하여 입사광을 TM 모드로 편광 시켜야 한다. The
또한, 광학계는 광원(24)에서 발생하는 광의 입사각을 임의로 조절할 수 있는 수단 예컨대, 초점조절용 랜즈(26)를 더 포함할 수 있다. In addition, the optical system may further include means for adjusting an incident angle of light generated from the
수광부(27)는 포토다이오드, 광 증폭기, CCD카메라 및 감광용지로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나로 형성할 수 있다.The
또한, 기판(21)과 금속박막(22) 사이의 접착력을 향상시키기 위하여 기판(21)과 금속박막(22) 사이에 형성된 접착층을 더 포함할 수 있다. 이때, 접착층 은 크롬(Cr) 또는 티타늄(Ti)으로 형성할 수 있다. In addition, an adhesive layer formed between the
이와 같은 구성을 갖는 본 발명의 SPR 센서에 제1프리즘(23A)을 통해 측정대상물질(28)의 각 픽셀에서의 SPR각도 변화를 측정하고, 제2프리즘(23B)을 통해 측정대상물질(28)의 공간적인 굴절률 변화를 이차원 영상으로 얻을 수 있다. The SPR sensor according to the present invention measures the SPR angle change at each pixel of the
이하, 본 발명의 SPR 센서의 동작원리를 자세히 설명한다. 앞서 언급한 바와 같이, 본 발명의 SPR 센서는 측정대상물질(28)의 각 픽셀에서의 정확한 굴절률 변화를 측정할 수 있는 각도변환형 SPR 센서와 측정대상물질(28)의 공간적인 굴절률 변화를 이차원 이미지로 나타낼 수 있는 SPRI가 하나의 SPR 센서에 집적되어 있다.Hereinafter, the operation principle of the SPR sensor of the present invention will be described in detail. As mentioned above, the SPR sensor of the present invention is a two-dimensional spatial change of the refractive index of the angle conversion type SPR sensor and the
먼저, 도 2b를 참조하여 측정대상물질(28)의 공간적인 굴절률 변화에 대한 이차원 이미지를 측정할 수 있는 SPRI는 단색광을 이차원 평행광으로 만들어서 제2프리즘(23B)에 입사시킴으로써 측정대상물질(28)의 굴절률 변화를 이차원 이미지로 획득할 수 있다. 이때, 광학계는 광원(24) 및 광원(24)에서 발생하는 광을 TM모드로 편광시키기 위한 편광기(25)를 포함할 수 있다. First, an SPRI capable of measuring a two-dimensional image of a spatial refractive index change of the
구체적으로, 광원(24)에서 제공되는 광을 이차원으로 확장시켜 제2프리즘(23B)에 입사시키고, 기판(21)에서 반사되어 나오는 광을 각 픽셀단위로 측정할 수 있는 다중채널 수광소자 예컨대, CCD 카메라를 사용하여 측정대상물질(28)의 굴절률 차이에 따른 명암차를 영상화하여 측정대상물질(28)의 공간적인 굴절률 변화를 이차원 이미지로 얻을 수 있다. 이때, 굴절률에 따른 명암 차이는 프리즘(23), 금속박막(22)의 종류, 금속박막(22)의 두께, 광원(24)의 파장 또는 입사각도에 따라 달라질 수 있다. In detail, a multi-channel light receiving element, for example, may extend the light provided from the
이와 같이, 제2프리즘(23B)을 통하여 측정대상물질(28)의 굴절률 변화를 이차원 이미지로 획득한 후, 기판(21)의 중심축을 기준으로 기판(21)을 180°회전시켜 측정대상물질(28)이 제1프리즘(23A) 상부에 위치하도록 한다. 즉, 측정대상물질(28)은 고정된 상태에서 기판(21)을 회전시켜 제1프리즘(23A) 및 제2프리즘(23B)의 위치를 이동시킴으로써, 손쉽게 SPRI에서 각도변화형 SPR 센서로 전환할 수 있다. As such, after obtaining the change in the refractive index of the
다음으로, 도 2a를 참조하여 측정대상물질(28)의 각 픽셀에서의 절대적인 굴절률 변화를 측정할 수 있는 각도변환형 SPR 센서는 이차원 단색광을 초점조절하여 제1프리즘(23A)으로 입사시킴으로써 측정대상물질(28)의 각 픽셀에서의 절대적인 굴절률 변화를 측정할 수 있다. 이때, 광학계는 광원(24), 광원(24)에서 발생하는 광을 TM모드로 편광시키기 위한 편광기(25) 및 광원(24)에서 발생하는 광의 입사각을 임의로 조절할 수 있는 수단 예컨대, 초점조절용 랜즈(26)를 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 각도변환형 SPR 센서는 종래기술에 따른 각도변환형 SPR 센서와 다르게 이차원으로 확장된 광을 사용하여 측정대상물질(28)의 각 픽셀에서의 굴절률 변화를 측정하기 때문에 종래기술에 따른 각도변환형 SPR 센서에 비하여 보다 빠른 시간안에 각 픽셀에서의 굴절률 변화를 측정할 수 있다.(도 3참조)Next, an angle conversion type SPR sensor capable of measuring an absolute change in refractive index at each pixel of the
구체적으로, 본 발명의 각도변환형 SPR 센서는 초점조절용 랜즈(26)를 이용하여 입사광의 각도를 조절하면서, 입사각의 변화에 따른 SPR각도의 변화(△θSPR)와 반사율의 변화를 측정한다. 이때, 측정된 SPR각도와 반사율의 변화를 Fresnel 방정식을 이용하여 조정(fitting)하면, SPRI에서 얻은 이차원 이미지의 각 픽셀에서의 굴절률 변화를 절대적으로 보정할 수 있다. Specifically, the angle conversion type SPR sensor of the present invention measures the change of the SPR angle (Δθ SPR ) and the change in reflectance according to the change of the incident angle while adjusting the angle of incident light using the focusing
여기서, 입사각에 따라서 SPR각도와 반사율이 변화하는 이유는 일정한 각도를 갖고 제1프리즘(23A)으로 입사된 광 에너지는 금속박막(22)에 평행한 파수벡터 성분이 금속박막(22)의 표면과 금속박막(22)과 접하는 측정대상물질(28)의 경계면을 따라 진동하는 전자밀도 즉, 표면 플라즈몬의 파수벡터와 일치할 때, 표면 플라즈몬에 대부분 흡수되며, 플라즈몬 장(field)의 분포는 금속박막(22)의 계면과 측정대상물질(28) 사이의 양쪽 방향으로 지수 함수적으로 감소한다. 따라서, 금속박막(22)에 접하는 측정대상물질(28)의 굴절률의 변화에 따라 플라즈몬의 공명 흡수 조건이 예민하게 변화된다. 이러한 흡수 조건의 변화로 인하여 광의 반사율이 변화하게 되는 것이다. The reason why the SPR angle and the reflectance change according to the incident angle is that the light energy incident on the
본 발명의 각도변화형 SPR 센서는 입사각의 변화에 따른 SPR각도의 변화와 반사율의 변화를 측정하기 때문에 입사각을 임의로 조절할 수 있는 수단을 필요로 한다. 이에 따라 본 발명의 각도변환형 SPR 센서는 입사각을 조절하기 위하여 초점조절용 렌즈(26)를 사용함으로써, 별도의 구동장치 없이 입사광이 프리즘(23)의 모든 표면에 대해 수직으로 입사할 수 있도록 입사각을 조절할 수 있다.Since the angle-variable SPR sensor of the present invention measures the change in the SPR angle and the change in the reflectance according to the change in the incident angle, a means for arbitrarily adjusting the incident angle is required. Accordingly, the angle conversion type SPR sensor of the present invention uses the focusing
도 3은 본 발명의 각도변환형 SPR 센서의 측정원리는 간략히 도시한 사시도이다. 3 is a perspective view briefly showing the measuring principle of the angle conversion type SPR sensor of the present invention.
도 3을 참조하면, 이차원으로 확장된 단색광을 입사광으로 사용하는 본 발명의 각도변환형 SPR 센서의 경우, 종래기술에 따른 각도변환형 SPR 센서(도 1a 참 조)에 비하여 다중화된 SPR 각도변화를 각 채널마다 개별적, 실시간으로 측정할 수 있다. 이를 통하여 종래기술에 따른 각도변환형 SPR 센서에 비하여 보다 빠른 시간안에 측정대상물질의 각 픽셀에서의 굴절률 변화를 측정할 수 있다. 3, in the case of the angle conversion type SPR sensor of the present invention using the monochromatic light extended in two dimensions as incident light, the multiplexed SPR angle change compared to the angle conversion type SPR sensor according to the prior art (see FIG. 1A). Each channel can be measured individually and in real time. Through this, it is possible to measure the change in refractive index of each pixel of the measurement target in a faster time than the angle conversion type SPR sensor according to the prior art.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 SPR 센서를 이용하여 측정한 이차원 이미지와 도 1a에 도시된 종래기술에 따른 각도변환형 SPR 센서를 통하여 측정한 그래프 사이의 관계를 나타낸 도면이다.4 is a diagram illustrating a relationship between a two-dimensional image measured using an SPR sensor according to an embodiment of the present invention and a graph measured through an angle conversion type SPR sensor according to the related art shown in FIG. 1A.
도 4를 참조하면, 본 발명의 SPRI를 통하여 획득한 측정대상물질의 공간적인 굴절률 변화를 나타낸 이차원 이미지(도 4의 b)와 종래기술에 따른 각도변환형 SPR 센서(도 1a 참조)를 통하여 측정한 SPR각도 변화에 따른 반사율의 변화를 나타낸 그래프(도 4의 a) 사이의 관계를 보여주고 있다. 이때, 도면에 나타낸 것처럼 본 발명의 SPRI를 통하여 다수의 채널을 갖는 측정대상물질에서 각 채널의 굴절률 변화를 이차원 이미지로 얻을 수 있다. 또한 각 채널의 단면(line profile)은 반사율 대 SPR각도 변화의 그래프(도 3a의 a)에 해당한다. Referring to FIG. 4, measurement is performed through a two-dimensional image (b) of FIG. 4 showing a spatial refractive index change of the measurement target material obtained through the SPRI of the present invention and an angle conversion type SPR sensor according to the prior art (see FIG. 1A). The relationship between a graph (a of FIG. 4) showing a change in reflectance according to one SPR angle change is shown. At this time, as shown in the figure, the change in refractive index of each channel in the measurement target material having a plurality of channels through the SPRI of the present invention can be obtained as a two-dimensional image. The line profile of each channel also corresponds to a graph of reflectance vs. SPR angle change (a in FIG. 3A).
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 SPR 센서를 이용하여 측정한 이차원 이미지와 각 픽셀에서의 굴절률 변화 측정한 그래프 사이의 관계를 나타낸 도면이다.5 is a diagram illustrating a relationship between a two-dimensional image measured using an SPR sensor according to an exemplary embodiment of the present invention and a graph of measured refractive index changes in each pixel.
도 5를 참조하면, 본 발명의 SPRI를 통하여 획득한 이차원 이미지(도 5의 b)와 본 발명의 각도변환형 SPR 센서를 통하여 획득한 SPR각도에 따른 반사율의 변화를 나타낸 그래프(도 5의 a) 사이의 관계를 보여주고 있다. 본 발명의 SPRI를 통하여 얻어지는 이차원 영상과, 단면(cross section)으로부터 얻어지는 금속박막 상에 존재하는 측정대상물질의 예민한 굴절률 변화와의 관계를 확인할 수 있다. 도면에 서 "△n" 은 굴절률의 변화, "△d" 는 두께의 변화를 말한다. Referring to FIG. 5, a graph showing a change in reflectance according to an SPR angle obtained through a two-dimensional image (b of FIG. 5) obtained through the SPRI of the present invention and an angle conversion type SPR sensor of the present invention (a of FIG. 5A). ) Shows the relationship between The relationship between the two-dimensional image obtained through the SPRI of the present invention and the sensitive refractive index change of the measurement target material present on the metal thin film obtained from the cross section can be confirmed. In the figure, "Δn" refers to a change in refractive index and "Δd" refers to a change in thickness.
이와 같이, 본 발명은 측정대상물질의 공간적인 굴절률 변화를 이차원 이미지로 나타낼 수 있는 SPRI와 측정대상물질의 각 픽셀에서의 굴절률 변화를 정확히 측정할 수 있는 각도변환형 SPR 센서를 하나의 SPR 센서에 집적함으로써, SPRI를 통하여 획득한 이미지 각 픽셀의 굴절률 변화를 절대보정할 수 있으며, 이를 통하여 SPRI의 응용범위를 더욱 확대할 수 있다.As such, the present invention provides a single SPR sensor with an SPRI that can represent the spatial refractive index change of the measurement object as a two-dimensional image and an angle conversion SPR sensor that can accurately measure the change in refractive index of each pixel of the measurement material. By integrating, the refractive index change of each pixel of the image acquired through the SPRI can be absolutely corrected, thereby further extending the application range of the SPRI.
또한, 본 발명은 다채널 바이오센서 또는 결상 타원계측기와 같은 굴절률의 절대적인 변화를 실시간으로 측정할 수 있는 강력한 수단을 제공할 수 있다.In addition, the present invention can provide a powerful means for measuring in real time the absolute change in refractive index, such as multi-channel biosensors or imaging ellipsometer.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위내의 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.Although the technical spirit of the present invention has been described in detail according to the above preferred embodiment, it should be noted that the above embodiment is for the purpose of description and not of limitation. In addition, those skilled in the art will appreciate that various embodiments within the scope of the technical idea of the present invention are possible.
도 1a는 종래기술에 따른 각도변환형 SPR 센서를 도시한 단면도.Figure 1a is a cross-sectional view showing an angle conversion type SPR sensor according to the prior art.
도 1b는 종래기술에 따른 SPRI를 도시한 단면도.Figure 1b is a cross-sectional view showing a SPRI according to the prior art.
도 2a 내지 도 2b는 본 발명의 SPR 센서를 도시한 단면도.2A to 2B are cross-sectional views showing the SPR sensor of the present invention.
도 3은 본 발명의 각도변환형 SPR 센서의 측정원리는 간략히 도시한 사시도. Figure 3 is a perspective view showing a brief measurement principle of the angle conversion type SPR sensor of the present invention.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 SPR 센서를 이용하여 측정한 이차원 이미지와 도 1a에 도시된 종래기술에 따른 각도변환형 SPR 센서를 통하여 측정한 그래프 사이의 관계를 나타낸 도면.4 is a view showing a relationship between a two-dimensional image measured using the SPR sensor according to an embodiment of the present invention and a graph measured through the angle conversion type SPR sensor according to the prior art shown in Figure 1a.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 SPR 센서를 이용하여 측정한 이차원 이미지와 각 픽셀에서의 굴절률변화 측정한 그래프 사이의 관계를 나타낸 도면.5 is a view showing a relationship between a two-dimensional image measured using an SPR sensor according to an embodiment of the present invention and a graph of measured refractive index changes in each pixel.
*** 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명****** Explanation of symbols for main parts of drawing ***
21 : 기판 22 : 금속박막21
23 : 프리즘 24 : 광원23
25 : 편광기 26 : 초점조절용 렌즈25
27 : 수광부 28 : 측정대상물질27: light receiving unit 28: measurement target material
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