KR20080090208A - 임계각 및 표면 플라스몬 공명각의 동시 측정 장치 및 방법 - Google Patents

임계각 및 표면 플라스몬 공명각의 동시 측정 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 특정 성분의 굴절률(농도) 변화와 시료 전체의 평균 굴절률(농도) 변화를 동시에 측정하여 보다 정확한 측정이 가능하고, 금속 박막에 고정화된 물질의 굴절률이 전반사 유도 매질의 굴절률에 비해 매우 클 경우에도 두 가지 변수를 모두 측정 가능토록 한 임계각 및 표면 플라스몬 공명각의 동시 측정 장치 및 방법을 제공하기 위한 것으로, 일실시예로서 광원(20)과; 상기 광원(20)에서 나온 빛(7)을 측정 범위에 따른 일정 각도 및 편광 상태로 변환시키는 광학장치(21)와; 상기 광학장치(21)를 통과한 입사광을 전반사 반응시키는 전반사 유도 매질(40)과; 상기 전반사 유도 매질(40) 밑면에 일정한 패턴을 갖고 도포되어 상기 측정시료와 접촉하여 SPR 현상을 발생시키는 얇은 금속 박막(41)과; 상기 전반사 유도 매질(40)의 밑면, 금속 박막(41)의 각기 굴절률에 따른 전반사 및 SPR 현상에 따라 반사광(8)의 광량 변화를 광학 장치(51)를 통과시켜 검출 하는 검출 장치(50)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
농도, 임계각, 플라스몬 공명각, SPR, 금속 박막

Description

임계각 및 표면 플라스몬 공명각의 동시 측정 장치 및 방법{Apparatus and method for simultaneous measurement of critical and surface plasmon resonance angle}
본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어서 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명에 따른 임계각 및 표면 플라스몬 공명각의 동시 측정 장치의 개략적인 블록 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 임계각 및 표면 플라스몬 공명각의 동시 측정 장치의 세부적인 구성도.
도 3은 본 발명에 적용되는 전반사 유도 매질에 도포된 금속 박막의 패턴 구성도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
20: 광원
21,51: 광학장치
30: 시료 측정관
32a: 특이 검출되지 않는 성분
32b: 특이 검출하고자 하는 성분
40: 전반사유도 매질
41: 금속 박막
42: 특이반응 물질
43: 비금속부
본 발명은 화학 물질의 농도나 항원-항체 반응과 같은 생화학 반응 물질의 농도 및 반응 정도를 측정하는데 사용되는 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 임계각 측정 및 표면 플라스몬 공명각을 하나의 장치 내에서 동시 측정할 수 있도록 한 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 임계각 측정은, 액체 시료의 농도를 측정하기 위하여 광학적으로 전반사를 발생시키는 구조를 만들고, 전반사 각을 측정하고 Snell's law(Snell의 반사 법칙)을 이용하여 굴절률을 측정함으로써 농도를 측정한다.
Figure 112007026207480-PAT00001
여기서, 매질 1의 굴절률
Figure 112007026207480-PAT00002
및 입사각
Figure 112007026207480-PAT00003
, 매질 2에서의 굴절률
Figure 112007026207480-PAT00004
및 굴절각
Figure 112007026207480-PAT00005
은 상기 관계를 갖고 있으며,
Figure 112007026207480-PAT00006
인 경우 임계각(critical angle)은 다음과 같이 정의 된다.
Figure 112007026207480-PAT00007
즉, 매질 1에서의 입사각 이 임계각인 경우, 매질 2에서의 굴절각
Figure 112007026207480-PAT00008
로 간주할 수 있으며, 매질 2로 굴절되는 빛이 사라지며 이 현상을 전반사(total internal reflection)라 한다. 매질 2로의 굴절광이 사라지는 임계각을 측정함으로써 두 매질 사이의 상대적인 굴절률을 측정할 수 있다. 이러한 원리를 이용하여 굴절률을 알고 있는 매질에 대해서, 측정하고자 하는 매질을 위치시키면 굴절률을 측정할 수 있다. 액체 시료의 경우 굴절률은 비중이나 농도에 대하여 변화하며 보정(calibration)과정을 통하여 농도나 비중을 측정할 수 있다.
이러한 임계각 측정 방법은 간단한 구조로서 시료의 농도 측정이 용이하지만, 측정 물질에 대한 특이성이 없어 시료의 전체적인 농도만 측정이 가능하다. 즉, 시료 내의 특정 성분의 농도는 측정할 수 없는 문제를 가진다.
한편, 일반적인 표면 플라스몬 공명각 측정을 살펴보면,
표면 플라스몬 공명(Surface Plasmon Resonance: SPR) 센서는 전반사가 일어나는 면에 얇은 두께(약 50nm) 정도되는 금속 박막을 두고, 시료의 굴절률과의 관 계에 의해 발생하는 표면 플라스몬 공명 현상을 이용하여 공명각을 측정하는 장치이다. 이 공명각은 결국 시료의 유전상수(굴절률의 제곱), 금속 박막의 유전 상수 , 전반사 유도 매질의 유전 상수에 의한 함수로 표현되며, 이 유전 상수들은 모두 파장에 따라 값이 변한다.
Figure 112007026207480-PAT00009
이같이 표면 플라스몬 공명각 측정 방법은 금속 박막 상에 특정 성분에 특이적으로 반응하는 물질을 고착화 시킬 수 있기 때문에, 임계각 측정 장치와는 달리 특정 성분의 농도를 측정할 수 있다.
그러나 단점으로는 단색광을 사용하는 경우 입사각을 변화시켜야 하거나(입사각 주사형의 경우), 또는 파장을 주사(고정 입사각형의 경우)해야 하고, 또한 한 편광 상태에 의해서면 표면 플라스몬 공명이 일어나기 때문에 측정 신호의 동적 범위(Dynamic range)가 작다.
표면 플라스몬 공명각 측정을 이용하여 특정 성분을 검출하는 경우, 굴절률로 환산하면 전반사 유도 매질(대개의 경우, 유리가 사용됨)에 비해 굴절률이 매우 커지는 경우가 있다. 이 경우에는 전반사가 항상 일어나기 때문에 SPR 센서로는 시료의 전체 평균 굴절률을 측정하지 못하는 문제가 있다.
즉, 기존의 발명들은 전반사에 의한 임계각 측정 또는 SPR 센서를 각자 구현 하고 있는 단계에 머물러 있다.
따라서 본 발명에서는 임계각 및 표면 플라스몬 공명각을 동시에 측정하여, 전체 시료의 굴절률은 임계각 측정으로 구하고, 특정 성분의 굴절률은 표면 플라스몬 공명각 측정으로 구하는 장치 및 그 방법을 제안코자 한다.
또한 두 측정 방법 사이의 굴절률 측정 범위를 다르게 할 수 있기 때문에 제한된 장치 내에서 전체적인 측정 범위를 증가시킬 수도 있다.
표면 플라스몬 공명을 발생시키기 위해서는 전반사에 의한 감쇄파동(evanescent wave)이 존재하여 금속 박막내의 전자를 여기 시켜야 한다. 즉, 표면 플라스몬 공명의 경우 전반사가 항상 일어나야 하며, 이는 곧 임계각 측정 장치와 비슷한 구조를 가질 수 있음을 의미한다.
따라서 본 발명에서는 전반사가 일어나는 매질(예, 유리로 제작된 프리즘)의 측정면에 금속 박막을 일정 패턴으로 제작하여 금속 박막이 존재하는 곳과 존재하지 않는 곳으로 구성한다.
이후, 금속 박막이 존재하는 곳에서는 표면 플라스몬 공명각을 측정하고, 금속 박막이 존재하지 않는 곳은 임계각을 측정하여 하나의 장치 내에서 두 측정법을 모두 구현코자 한다.
SPR과 전반사를 모두 발생시키기 위하여, 광원에서의 빛을 일정 각도로 분산시켜 입사각을 변화시키고, 각 입사각에 해당하는 반사광을 측정하여 시료의 굴절률을 측정한다.
따라서 본 발명은 특정 성분의 굴절률(농도) 변화와 시료 전체의 평균 굴절률(농도) 변화를 동시에 측정하여 보다 정확한 측정이 가능하고, 금속 박막에 고정화된 물질의 굴절률이 전반사 유도 매질의 굴절률에 비해 매우 클 경우에도 두 가지 변수를 모두 측정 가능토록 한 임계각 및 표면 플라스몬 공명각의 동시 측정 장치 및 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구체적인 수단은,
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 임계각 및 표면 플라스몬 공명각 동시 측정 장치(1)의 개략적인 블록 구성도이다.
본 발명의 임계각 및 표면 플라스몬 공명각 동시 측정 장치(1)는, 광원부(2)와, 측정 시료가 존재하는 시료부(3)와, 상기 시료부(3)와 접하여 전반사 및 표면 플라스몬 공명이 일어나는 반응부(4)와, 그리고 전반사 및 표면 플라스몬 공명에 따른 광량 변화를 측정하기 위한 검출부(5)로 구성된다.
도 2는 본 발명에 따른 임계각 및 표면 플라스몬 공명각 동시 측정 장치의 상세 구성도이다.
도 2에서와 같이 광원(20)과, 상기 광원(20)에서 나온 빛(7)을 측정 범위에 따른 일정 각도 및 편광 상태로 변환시키는 광학장치(21)가 구비된다.
상기 광학장치(21)를 통과한 입사광(7)을 전반사 반응시키도록 반응부(4)에 전반사 유도 매질(40)이 설치된다.
이때, 상기 전반사 유도 매질(40) 밑면에 일정한 패턴을 갖고 도포되어 상기 측정시료와 접촉하여 SPR 현상을 발생시키는 얇은 금속 박막(41)이 구비되어 있다.
또한 상기 전반사 유도 매질(40)의 밑면에는 금속 박막이 없는 비금속부(43)가 금속 박막(41)의 패턴 사이사이에 존재한다.
상기 전반사 유도 매질(40)의 전반사 광로에는 광학장치(51)가 배치되고, 상기 전반사 유도 매질(40)의 밑면과 금속 박막(41)의 각기 굴절률에 따른 전반사 및 SPR 현상에 따라 반사광(8)의 광량 변화를 검출 장치(50)로 검출하게 되어 있다. 이때 광학 장치(51)는 전반사 유도 매질(40)과 검출 장치(50)의 사이에 배치된다.
이때, 상기 금속 박막(41)에는 측정 물질에 특이 반응하는 물질(42)이 더 고착될 수 있다.
따라서 본 발명은, 도 1 및 도 2에서와 광원부(2)의 광원(20)에서 나온 입사광(7)은 광학장치(21)를 통과면서 측정 범위에 따른 일정 각도 및 편광 상태를 갖게 된다.
이후 입사광(7)은 전반사 유동 매질(40)을 갖는 반응부(4)로 입사된다. 상기 전반사 유도 매질(40) 밑면에는 얇은 금속 박막(41)이 도포되어 있으며, 특정 물질을 검출하고자 하는 경우에는 특정 물질과 특이 반응하는 물질(42)이 고정되어 있다.
따라서 측정 시료(32)는 도 2와 같이 시료 측정관(30)을 따라 흘러 들어오며, 금속 박막과의 접촉면(31)에서 매질 밑면(40), 금속 박막(41), 그리고 측정 물질에 특이 반응하는 물질(42)과 접촉하게 된다.
이때 서로 다른 매질간의 경계면에서 발생되는 각각의 굴절률에 따른 전반사 및 SPR에 따라 반사광(8)의 광량이 변화하며 광학 장치(51)를 통과하여 검출 장치(50)에 도달하여 임계각 및 표면 플라스몬 공명각이 동시 측정된다.
이때 금속 박막(40)의 형태는 도 3과 같이 일정한 패턴을 갖게 되어 있으며, 측정 시료의 굴절률 변화 범위나 측정 시스템의 크기, 측정하고자 하는 특정 성분의 개수 등을 고려하여 다양하게 제작될 수 있다.
여기서, 반응부(4)에 패턴화된 금속 박막(41)은 전반사 유도 매질(40) 밑면에 코팅되며, 측정하고자 하는 물질에 특이 반응하는 물질(42)이 고정된다. 이때 그 물질(42)은 측정 시료의 농도, 개수, 종류 등에 따라 다양한 물질이 다양한 패턴위에 부착될 수 있다. 금속 박막(41) 부위에서는 SPR 현상이, 금속 박막이 없는 비금속부(43)에서는 전반사 현상이 발생한다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
상술한 바와 같이 본 발명의 임계각 및 표면 플라스몬 공명각의 동시 측정 장치 및 방법에 따르면, 임계각 및 표면 플라스몬 공명각을 동시에 측정함으로써, 시료 전체의 평균 굴절률과 특정 성분의 굴절률(즉, 시료 전체의 농도와 특정 성분의 농도)를 동시에 측정할 수 있다.

Claims (5)

  1. 측정시료(32)의 농도와 특정 성분의 농도를 동시에 측정하기 위한 장치에 있어서,
    광원(20)과;
    상기 광원(20)에서 나온 빛(7)을 측정 범위에 따른 일정 각도 및 편광 상태로 변환시키는 광학장치(21)와;
    상기 광학장치(21)를 통과한 입사광을 전반사 반응시키는 전반사 유도 매질(40)과;
    상기 전반사 유도 매질(40) 밑면에 일정한 패턴을 갖고 도포되어 상기 측정시료와 접촉하여 SPR 현상을 발생시키는 얇은 금속 박막(41)과;
    상기 전반사 유도 매질(40)의 밑면, 금속 박막(41)의 각기 굴절률에 따른 전반사 및 SPR 현상에 따라 반사광(8)의 광량 변화를 광학 장치(51)를 통과시켜 검출 하는 검출 장치(50)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 임계각 및 표면 플라스몬 공명각의 동시 측정 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 금속 박막(41)에는 측정 물질에 특이 반응하는 물질(42)이 더 고착되어 있는 것을 특징으로 하는 임계각 및 표면 플라스몬 공명각의 동시 측정 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 전반사 유도 매질(40)의 밑면에는 금속 박막이 없는 비금속부(43)가 금속 박막(41)의 패턴 사이사이에 존재하는 것을 특징으로 하는 임계각 및 표면 플라스몬 공명각의 동시 측정 장치.
  4. 측정시료(32)의 농도와 특정 성분의 농도를 동시에 측정하기 위한 방법에 있어서,
    상기 측정시료(32)를 시료 측정관(30)에 흘려보내는 단계와;
    상기 시료 측정관(30)에 측정 시료(32)와 밑면이 접촉하도록 전반사 유도 매질(40)을 설치하고, 상기 전반사 유도 매질(40)의 밑면에 금속박막이 없는 비금속부(43)와 얇은 금속 박막(41)을 소정 형태로 패턴화시키는 단계와;
    광원(20)의 빛을 광학장치(21)를 통하여 일정한 각도와 편광 상태로 상기 전반사 유도 매질(40)로 입사시키는 단계와;
    상기 전반사 유도 매질(40)로부터 반사되는 반사광을 광학장치(51)를 통과시킨 후 검출장치(50)를 통해 광량변화를 검출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 임계각 및 표면 플라스몬 공명각의 동시 측정 방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 금속 박막(41)에는 측정시료에 포함된 특이 측정물질에 특이 반응하는 물질(42)이 더 고착되어서 측정되는 것을 특징으로 하는 임계각 및 표면 플라스몬 공명각의 동시 측정 방법.
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