KR20090054096A - 국소 표면 플라즈몬 센서 및 상기 센서를 이용하여 시료를분석하는 방법 - Google Patents

국소 표면 플라즈몬 센서 및 상기 센서를 이용하여 시료를분석하는 방법 Download PDF

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Abstract

국소 표면 플라즈몬 센서가 개시된다. 본 발명에 따른 국소 표면 플라즈몬 센서는 프리즘; 상기 프리즘 상단에 구비된 기판; 상기 기판 상단에 서로 간에 커플링이 일어나지 않을 정도의 간격으로 이격되도록 배열되는 다수의 금속선들; 상기 금속선들 중 임의의 금속선에서 국소 표면 플라즈몬 공명 현상이 일어나도록 상기 임의의 금속선에 입사광을 발광하는 광원; 및 상기 임의의 금속선에서 일어난 표면 플라즈몬 공명 현상에 의하여 변화된 광을 검출하는 수광부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이러한 본 발명에 의하면 시료의 특정 영역에 대하여 보다 정확히 정략 분석 및 정석 분석을 할 수 있다.

Description

국소 표면 플라즈몬 센서 및 상기 센서를 이용하여 시료를 분석하는 방법{Localized surface plasmon sensor and method for analyzing sample using the sensor}
본 발명은 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용한 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 국소 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용하여 시료의 박막 두께, 굴절률의 변화, 생화학 물질이나 생체 물질의 반응 정도를 측정하는 국소 표면 플라즈몬 센서에 관한 것이다.
표면 플라즈몬 공명의 원리는 금속박막 표면에서 일어나는 전자들의 집단적인 진동을 양자화한 것으로, 금속과 이에 인접한 유전물질의 경계면을 따라 진행하는 표면 전자기파로 알려져 있다.
표면 플라즈몬이 여기되는 현상을 표면 플라즈몬 공명(Surface Plasmon Resonance, SPR)이라고 한다. 여기서, 표면 플라즈몬을 여기시키는 방법으로는 여러 가지 방법이 알려져 있으나, 이중 광학적인 방법으로서 표면 플라즈몬을 발생시키기 위해서는 전반사가 일어날 수 있도록 서로 다른 굴절률을 갖는 두 개의 매질 경계면에 금속박막을 적층한 구조인, 크레츠만(Kretschmann) 구조를 구성할 수 있 다.
도 1은 SPR 센서의 일반적인 구조, 이른바 크레츠만형 SPR 센서를 나타낸다.
도 1에 도시된 바와 같이, SPR 센서는 기본적으로 프리즘(10), 기판(20), SPR을 일으키는 금속박막(30)으로 이루어진다. 이때 SPR 센서 내에서 굴절률 변화의 측정 대상이 되는 시료(40)는 금속박막(30) 상단에 구비된다.
상기 SPR 센서는 금속박막(30) 측으로 입사광을 발광하는 고정되어 있는 광원(50)과 금속박막(30) 표면으로부터 반사된 반사광의 세기를 측정하는 수광부(60)가 구비된다.
입사광 중 금속박막(30) 표면에 평행한 위치의 파동 벡터(wave vector)와 표면 플라즈몬의 파동 벡터가 일치할 때 표면 플라즈몬 공명 현상이 일어나므로, 프리즘(10)의 굴절률을 n, 공명각을 θre, 금속박막(30) 및 시료(40)의 유전율을 각각 ε1, ε2라 할 때 다음과 같은 수학식이 성립된다.
Figure 112007084775765-PAT00001
따라서 공명각 θre이 공지된 경우 상기 수학식 1로부터 시료(40)의 유전율 ε2를 계산할 수 있게 되고, 이로부터 시료(40)의 굴절률 또는 기준 샘플로부터의 굴절률 변화를 알 수 있게 된다. 이러한 굴절률 변화로부터 시료의 두께 또는 흡착된 시료의 정량 분석 및 정성 분석이 가능해진다. 그러나 이러한 종래의 표면 플라 즈몬 센서는 시료의 특정 영역에 대한 정확한 분석을 하기 어려운 문제점이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 시료의 특정 영역에 대하여 보다 정확히 정략 분석 및 정석 분석을 할 수 있는 국소 표면 플라즈몬 센서 및 이를 이용하여 시료를 분석하는 방법을 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 국소 표면 플라즈몬 센서는 프리즘; 상기 프리즘 상단에 구비된 기판; 상기 기판 상단에 서로 간에 커플링이 일어나지 않을 정도의 간격으로 이격되도록 배열되는 다수의 금속선들; 상기 금속선들 중 임의의 금속선에서 국소 표면 플라즈몬 공명 현상이 일어나도록 상기 임의의 금속선에 입사광을 발광하는 광원; 및 상기 임의의 금속선에서 일어난 표면 플라즈몬 공명 현상에 의하여 변화된 광을 검출하는 수광부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 금속선들 간의 주기는 100nm 이상인 것이 바람직하다.
또한, 상기 금속선들 사이는 공기 또는 투명한 유전체로 채워질 수 있다.
또한, 상기 금속선들은 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt) 또는 이들의 혼합물로 형성될 수 있다.
또한, 상기 국소 표면 플라즈몬 센서는, 상기 광원 및 수광부를 상기 금속선들의 길이 방향에 직각인 방향으로 이동시키는 이동 수단을 더 포함할 수 있다.
상기 다른 기술적 과제를 해결하기 위하여 상기된 국소 표면 플라즈몬 센서를 이용하여 시료를 분석하는 방법을 제공한다.
본 발명에 의하면, 시료의 특정 영역에 대하여 보다 정확히 정략 분석 및 정석 분석을 할 수 있는 국소 표면 플라즈몬 센서 및 이를 이용하여 시료를 분석하는 방법을 제공할 수 있다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이하 설명 및 첨부된 도면들에서 실질적으로 동일한 구성요소들은 각각 동일한 부호들로 나타냄으로써 중복 설명을 생략하기로 한다. 또한 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 국소 표면 플라즈몬 센서를 나타내는 단면도이고, 도 3은 본 실시예에 따른 국소 표면 플라즈몬 센서에서 후술하는 시료(240)와 금속선들(230)을 나타낸 사시도이며, 도 4는 본 실시예에 따른 국소 표면 플라즈몬 센서를 나타내는 평면도이다. 도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 국소 표면 플라즈몬 센서는 프리즘(210), 프리즘(210) 상단에 구비된 기판(220), 기판(220) 상단에 서로 간에 일정 간격 이격되도록 배열되는 다수의 금속선들(230), 기판(220)의 하단 일측에 구비되며 기판(220)을 통과하여 금속선들(230) 중 임의의 금속선으로 입사하는 입사광을 발광하는 광원(250), 기판(220)의 하단 일측에 구비되며 입사광에 대하여 상기 임의의 금속선에서 일어난 국소화된 표면 플라즈몬 공명 현상에 의하여 변화된 광을 검출하는 수광부(260)를 포함하여 이루어진다. 시료(240)는 금속선들(230) 상단에 구비된다. 나아가 본 실시예에 따른 국소 표면 플라즈몬 센서는 금속선들 각각마다에서 국소화된 표면 플라즈몬 공명 현상에 의하여 변화된 광을 검출할 수 있도록 프리즘(210), 광원(250) 및 수광부(260)를 금속선들(230)의 길이 방향에 직각인 방향으로 이동시키는 이동 수단을 더 포함한다.
프리즘(210)은 굴절률이 높은(nd=1.5 내지 2.0) 투명 매질로 이루어지며, 삼각형, 반구형, 평행사변형, 역사다리꼴형, 또는 반 원통형 등의 형태로 이루어질 수 있다.
기판(220)은 프리즘(210)의 상단에 구비되는 것으로서, 금속선들(230)을 고정하여 지지하는 역할을 한다. 기판(220)은 투명한 유전체, 예를 들어 실리카(SiO2)와 같은 유리 기판이 사용될 수 있으며 센서의 기능과 특징에 따라 실리콘(Si) 기판, 티타늄 산화물(TiO2), 탄탈륨 산화물(Ta2O5) 또는 알루미늄 산화물(Al2O5) 등과 같은 투명한 산화물의 기판이 사용될 수 있다. 여기서 기판(220)은 프리즘(210)을 구성하는 유전체와 동일한 굴절률을 갖는 물질로 이루어지는 것이 바람직하다.
다수의 금속선들(230)은 입사되는 입사광을 반사시키고 국소 표면 플라즈몬 공명 현상을 발생시키기 위한 것으로서, 서로 간에 일정 간격 이격되도록 배열되어 있으며, 금속선들(230) 사이는 공기로 채워지거나, 또는 투명한 유전체, 예를 들면 기판(220)과 동일한 물질로 채워질 수 있다. 그리고, 금속선들(230)로는 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt) 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.
여기서 금속선들(230)은 서로 간에 커플링이 일어나지 않을 정도의 간격으로 이격되어 배열되는 것이 바람직하다. 여기서 커플링이란 하나의 금속선에 입사광이 쏘여져 표면 플라즈몬 공명이 발생하였을 때 주위의 금속선들도 같이 여기되는 현상을 의미한다. 이러한 커플링 현상이 발생할 경우 얻고자 하는 금속선 이외의 다른 금속선에서 발생하는 표면 플라즈몬 공명에 의한 신호가 검출되므로 특정 영역 에서의 시료 분석에 있어서는 일종의 잡음이 된다.
금속선들 사이에서 발생하는 커플링을 수치적으로 계산하기 위해서는 RCWA(rigorous coupled-wave analysis) 방법을 사용할 수 있다. RCWA 방법에 따르면, 금속선들의 폭, 주기 및 깊이를 기본적인 팩터로 하여 국소 표면 플라즈몬 공명 현상이 발생하였을 때, volume factor의 차이에 의한 플라즈몬 모멘텀(plasmon momentum)의 변화를 계산하며, 플라즈몬 모멘텀이 volume factor의 차이에 의해 많이 변한다는 것은 금속선들 사이에 커플링이 많이 일어난다는 것을 의미한다.
도 2 및 도 4를 참조하면, 금속선들 간의 커플링 현상에 영향을 미치는 팩터인 금속선의 깊이 d와 금속선들의 폭 w, 금속선들 간의 주기 Λ가 표시되어 있다. 도 5는 금속선의 폭 d를 금속선들 간의 주기 Λ의 절반으로 하였을 때, 여러 주기 값과 여러 깊이 값의 조합에서 플라즈몬 모멘텀 Ksp의 volume factor에 따른 변화를 나타낸다. 도 5에서 가로축은 volume factor이고 세로축은 플라즈몬 모멘텀 Ksp(단위는 μm-1)를 나타낸다. 도 5를 참조하면, 깊이 dNW=10nm이고, 주기 Λ=100nm일 때 플라즈몬 모멘텀이 volume factor에 따라 거의 변하지 않음을 알 수 있다. 즉, 금속선의 깊이가 10nm일 때 주기가 100nm 이상이면 금속선들 간에 커플링이 거의 일어나지 않음을 알 수 있다.
광원(250)은 금속선들(230) 중 임의의 금속선에서 국소 표면 플라즈몬 공명 현상이 일어나도록 임의의 금속선에 입사광을 발광한다. 상술한 바와 같이 금속선들이 배열됨으로써 입사광을 받은 금속선에서 국소 표면 플라즈몬 현상이 일어나 고, 해당 금속선의 영역에 위치하는 시료의 분석, 즉 시료의 특정 영역에 대한 정량 분석 및 정성 분석이 가능해진다.
광원(250)으로는 단 파장 또는 다중 파장을 갖는 광을 제공하는 TM 또는 P-편광된 단색 광원, 다중 파장 대역의 백색 광원, 텅스텐-할로겐 램프(QTH lamp), 레이저 다이오드(LD), 발광 다이오드(LED) 등이 사용될 수 있고, 이들로부터 제공되는 광은 광학계를 통해 모아지거나 평행하게 프리즘(210)으로 입사된다.
수광부(260)는 상기 입사광이 발광된 금속선에서 발생하는 국소 표면 플라즈몬 공명 현상에 의하여 변화된 광을 검출한다. 수광부(260)는 국소 표면 플라즈몬의 공명 흡수로 인한 공명 각도의 변화, 공명 파장의 변화, 또는 색의 변화를 측정할 수 있도록 광증배기(Photo multiplier, PMT) 또는 실리콘 포토다이오드(Silicon Photodiode, Si_PD)를 포함하거나, 이차원 평면을 형상화할 수 있는 전하 결합 소자(CCD) 카메라, 비디오 카메라 또는 영사막을 포함하거나, 근접장 현미경으로서의 광학적 현미경, 근접장 주사 현미경, 프리즘을 이용한 광자 주사 관통 현미경을 포함하여 구성될 수 있다. 또한 수광부(260)는 국소 표면 플라즈몬의 공명 흡수로 인한 공명 조건의 변화, 예를 들면 공명 각도 또는 공명 파장의 변화를 정량적으로 측정할 수 있는 기능을 가지도록 구성될 수 있다.
이동 수단(270)은 수광부(260)가 금속선들(230) 각각에 대하여 국소 표면 플라즈몬 공명 현상에 의하여 변화된 광을 검출할 수 있도록 상기된 프리즘(210), 광원(250) 및 수광부(260)를 금속선들(230)의 길이 방향에 직각인 방향으로 이동시킨다.
도 6은 상기된 국소 표면 플라즈몬 센서를 하우징에 적용한 형태를 나타낸 평면도이다. 도 6을 참조하면, INLET으로 시료가 유입되고, OUTLET으로 시료가 방출된다.
도 7은 상기된 국소 표면 플라즈몬 센서에 시료가 놓여 있고, 프리즘(210), 광원(250) 및 수광부(260)의 이동에 의하여 각 금속선에 대하여 국소 표면 플라즈몬 공명 현상에 의하여 변화된 광이 검출되는 모습을 나타낸다. 본 실시예에 의하면 각 금속선에 위치하는 시료의 각 영역에 대하여 정량 분석 및 정성 분석이 가능해진다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 SPR 센서의 일반적인 구조를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 국소 표면 플라즈몬 센서를 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 국소 표면 플라즈몬 센서에서 시료와 금속선들을 나타낸 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 국소 표면 플라즈몬 센서를 나타내는 평면도이다.
도 5는 여러 주기 값과 여러 깊이 값의 조합에서 플라즈몬 모멘텀의 volume factor에 따른 변화를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 국소 표면 플라즈몬 센서를 하우징에 적용한 형태를 나타낸 평면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 국소 표면 플라즈몬 센서에 시료가 놓여 있고, 프리즘, 광원 및 수광부의 이동에 의하여 각 금속선에 대하여 국소 표면 플라즈몬 공명 현상에 의하여 변화된 광이 검출되는 모습을 나타낸다.

Claims (6)

  1. 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용하여 시료를 분석하는 센서에 있어서,
    프리즘;
    상기 프리즘 상단에 구비된 기판;
    상기 기판 상단에 서로 간에 커플링이 일어나지 않을 정도의 간격으로 이격되도록 배열되는 다수의 금속선들;
    상기 금속선들 중 임의의 금속선에서 국소 표면 플라즈몬 공명 현상이 일어나도록 상기 임의의 금속선에 입사광을 발광하는 광원; 및
    상기 임의의 금속선에서 일어난 표면 플라즈몬 공명 현상에 의하여 변화된 광을 검출하는 수광부를 포함하는 것을 특징으로 하는 국소 표면 플라즈몬 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속선들 간의 주기는 100nm 이상인 것을 특징으로 하는 국소 표면 플라즈몬 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 금속선들 사이는 공기 또는 투명한 유전체로 채워지는 것을 특징으로 하는 국소 표면 플라즈몬 센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 금속선들은 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt) 또는 이들의 혼합물로 형성되는 것을 특징으로 하는 국소 표면 플라즈몬 센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 광원 및 수광부를 상기 금속선들의 길이 방향에 직각인 방향으로 이동시키는 이동 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 국소 표면 플라즈몬 센서.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 국소 표면 플라즈몬 센서를 이용하여 시료를 분석하는 방법.
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