KR20090093381A - 광경로가 수직한 형광측정장치 모듈 - Google Patents

Abstract

기존의 형광측정장치에서는 여기광과 형광의 광경로가 모두 수평으로 되어 있으며, 분말이나 액체상태 시료의 형광을 측정할 때는 별도의 시료홀더를 사용하여야 한다. 또한 시료를 교체할 때 시료가 손실되며, 손실된 시료에 통하여 화학적?생물학적 오염을 유발할 수 있다.

본 발명에서는 시료홀더에서 여기광과 형광의 광경로가 수직한 형광측정장치 모듈을 개발하였다. 본 발명의 장치를 사용하면, 분말이나 액체상태 시료의 형광을 측정할 때 시료의 교체가 매우 용이하고, 시료교체 때 발생할 수 있는 시료에 의한 오염의 우려를 제거할 수 있다.

Description

광경로가 수직한 형광측정장치 모듈{Spectroflurometer Module with Vertical Optical Paths}

형광 스펙트럼측정

물질에서 방출되는 형광스펙트럼과 형광여기스펙트럼은 형광광도계를 사용하여 측정한다. 형광광도계는 형광스펙트럼을 측정하기 위한 단일 장치로 여기광원부, 시료부, 형광측정부로 구성되어 있으며 이를 컴퓨터로 제어한다. 여기광원부에는 Xenon 램프와 같은 여기광원, 슬릿, 반사회절격자, 필터 등으로 구성되어 있으며, 시료부에는 고체시료, 분말시료, 액체시료 등을 고정할 수 있는 여러 종의 시료홀더가 있다. 형광측정부에는 여기광을 차단하는 필터, 슬릿, 반사회절격자, 광전증배관(photomultiplier tube) 등으로 구성되어 있다.

여기광원에서 방출한 여기광은 수평한 광경로를 따라 여러 개의 광학계를 통과하며, 수직하게 놓인 시료에 조사된다. 조사된 여기광에 의해 시료에서 방출된 형광은 수평한 광경로를 따라 진행하여 형광측정부에 도달한다. 형광을 측정하는 기존의 장치나 방법은 여기광과 형광이 수평한 광경로를 이루도록 설계?제작되었으며, 수평한 광경로에 대해 시료를 수직하게 고정하여야 한다. 분말이나 액체상태의 시료를 자연적인 방법으로 수직하게 유지할 수 없으므로 별도로 제작된 시료홀더를 반드시 사용하여야 한다.

여기광은 시료홀더에 수직하게 고정된 시료면의 법선에 대해 45°의 각으로 조사되며, 시료에서 방출된 형광의 대부분은 조사된 여기광에 대해 90°로 진행하여 형광측정부에 입사한다. 형광측정부에 입사한 빛에는 시료에서 방출한 형광과 시료에서 반사된 여기광이 합하여져 있다. 반사된 여기광은 형광측정부의 필터로 차단하기로 할 수 있으며, 형광측정부의 분광계에서 차단할 수도 있다. 불투명한 분말이나, 액체상태의 시료에 대한 형광측정은 전술한 방법으로 할 수 있으며, 이를 45° 반사법이라 한다.

기존의 형광광도계로 형광을 측정하는 시료의 상태는 고체, 분말, 액체가 있으며, 분말과 액체상태의 시료는 특별히 제작된 시료홀더에 고정하여 측정한다. 분말과 액체상태의 시료를 보관하는 용기(주로 vial 또는 시험관)에서 시료홀더에 옮겨 측정하고, 다시 보관용기에 옮기는 시료 교체과정이 필요하다. 이러한 시료 교체과정에서 시료의 일부분이 손실되고, 손실된 시료에 의한 오염을 야기할 수 있다. 실험에 사용되는 시료의 대부분은 화학적인 독성이 있고, 실험 중인 시료는 그 성질을 완전히 알지 못하는 경우가 대부분이며, 경우에 따라서는 병원성 독성을 가진 대상도 존재할 수 있다.

기존의 형광광도계로 분말과 액체상태 시료의 형광을 측정할 때, 시료 교체과정에서 발생하는 시료에 의한 화학적? 생물학적 오염의 위험이 항상 내포되어 있으며, 이는 기존의 형광광도계의 광경로가 수평하게 제작되어 있음으로부터 기인한다. 분말과 액체상태 시료를 보관용기에서 옮기지 않고 보관용기에 둔 채로 형광을 측정할 수 있으면 전술한 오염의 가능성을 낮출 수 있다.

이와 같은 사상을 구현하기 위해서는 시료를 수평하게 장치하고, 여기광이 시료면에 대해 수직하게 조사되며, 시료의 형광이 수직하게 방출하는 광경로를 가진 형광측정장치를 개발하여야 한다. 형광의 측정은 기존의 CCD 분광계를 사용한다. 여기서 광선의 경로가 지면과 나란할 때를 수평이라 하며, 광선의 경로가 지면과 수직할 때 수직이라 한다.

이러한 광학적 구조는 여기광이 시료면에 90°로 입사하고, 시료면에서 방출한 형광이 여기광의 입사방향에 역으로 진행하는 되반사(back reflection) 방법이다. 이는 라만 스펙트럼 측정방법 중에서 back scattering 방법과 광선의 경로가 같다.

되반사방법의 구조적 설계는 단순하나 반사하는 여기광을 차단하고 형광만 측정하는 광학적 방법이 까다롭다. back scattering 라만 분광계에서는 파장 분해능이 매우 높은 triple grating monochromator 등을 사용하여 반사광에서 back scatter된 라만 신호를 분리하여 측정한다. 본 발명의 광경로가 수직한 형광측정장치 모듈에서는 간섭성 필터를 사용하여 반사된 여기광을 차단하고 형광을 측정할 수 있다.

간섭성 필터는 굴절률이 다른 두 가지 이상의 부도체 물질을 교대로 coating한 것이며, 굴절률이 다른 매질의 경계면에서 반사한 빛과 진행한 빛의 간섭에 의해 특정한 파장영역의 빛은 투과하고, 다른 파장영역의 빛은 반사한다. 간섭성 필터에는 장파장투과필터(longpass filter) , 대역폭투과필터(bandpass filter) , 대역폭차단필터(notch filter) 등이 있으며, 자외선과 가시광선 영역의 모든 파장에 적용할 수 있는 필터가 시판되고 있다. 차단되는 파장의 영역에서 간섭필터의 광학 밀도(optical density, O.D.)는 3이상이며, 투과하는 파장영역에서 투과도는 80% 정도이다.

본 발명의 형광측정장치에는 파장이 짧은 여기광은 차단하고, 파장이 상대적으로 긴 형광을 투과하는 장파장투과필터를 사용할 수 있다. 예로써, O.D.가 3인 LPF 1개를 본 발명의 형광측정장치 모듈에 사용하면 시료에서 반사된 여기광 중에서 e^-3=0.05=5%만 투과한다. LPF 2개를 사용하면 반사한 여기광의 (e^-3)²=0.0025=0.25%만 측정용 분광계에 입사한다. 반사광의 0.25%는 매우 적은 양이므로 형광측정에 거의 영향을 미치지 않는다. 또한 대부분의 분광계는 background 신호를 baseline으로 설정하여 background 신호를 제거하는 기능이 있어 반사한 여기광에 의한 잡음은 쉽게 제거할 수 있다.

기존 형광측정장치에는 광경로가 수평하게 설계되어 있으며 광원, 회절격자, 렌즈, 필터, 광전증배관 등의 광학면은 이 광경로에 수직한 방향으로 장치되어 있다. 이러한 형광광도계에서는 시료를 수평한 광경로에 수직하게 설치하여야 하며, 펠렛 등의 고체시료는 장치하기가 용이하나 분말이나 액체 상태의 시료는 별도의 시료홀더에 장착하여야 한다.

기존의 형광측정장치에는 분말 시료를 장치하기 위한 분말시료홀더와 액체상태의 시료를 장치하기 위한 규벳(cuvette) 등의 액체시료홀더가 별도로 구비되어 이를 사용하여 형광을 측정할 수 있다. 준비한 보관용기에서 시료를 들어내어 시료홀더에 옮겨 형광을 측정하고, 측정이 끝나면 시료홀더에서 시료를 꺼내어 준비된 용기에 옮겨 보관한다. 이 과정에서는 시료홀더에 붙은 시료를 세척해야 한다. 시료홀더의 세척과정에서 시료의 손실이 발생하고, 손실된 시료를 통하여 화학적? 생물학적인 오염이 수반된다.

본 발명에서는 분말이나 액체상태 시료의 형광을 측정할 때 발생할 수 있는 시료의 손실과 오염 등의 문제점을 줄이기 위해서 시료를 시료홀더에 옮겨 담는 과정을 생략하고자 하였으며, 준비된 시료의 보관용기를 바로 장치하여 형광을 측정할 수 있는 형광측정장치 모듈을 개발하였다.

이러한 목적을 달성하기 위하여 여기광과 형광의 광경로가 수직한 형광측정장치 모듈을 개발하였으며, 형광측정을 위한 별도의 준비없이 분말상태나 액체상태 시료의 형광을 측정할 수 있게 하였다.

본 발명의 형광측정장치 모듈은 (1)시료모듈과 (2)광원모듈, (3)센서모듈 및 측정용분광계로 구성된다. 측정용분광계는 형광신호를 전기신호로 변환하는 장치이며, CCD 분광계등 기존의 분광계를 사용할 수 있다. 센서모듈과 측정용분광계는 광섬유다발을 이용하여 연결한다. 측정용분광계를 제외한 3개의 모듈은 수직으로 연결되어 결합하도록 한다. 여기광은 광원모듈에서 수직하게 아래로 시료 면에 조사되며, 시료에서 방출된 형광은 수직한 윗방향의 광경로를 따라 센서모듈로 입사한다.

세 개의 모듈은 연결되는 부분의 위와 아래 면이 서로 맞물릴 수 있는 요철이 있게 하여 각각의 모듈이 쉽게 결합하도록 한다. 이 요철구조는 시료에서 발생한 형광을 제외한 외부의 잡광(noise)을 차단하여 신호가 안정되도록 한다.

(1)시료모듈은 분말 시료나 액채상태의 시료를 수평으로 장착하기 위한 것이다. 시료모듈의 내부는 여기광과 시료에서 방출한 형광이 지나는 광경로에 해당하므로 탄소를 도장하거나 coating하여 여기광이나 시료에서 방출한 형광이 내부 벽면에서 반사하는 것을 방지한다. 시료모듈의 내부공간의 크기는 사용에 용이하게 정한다. 펠렛 등 고체 시료는 시료모듈에 단순하게 넣어서 장착할 수 있으며, 분말이나 액체 상태의 시료는 시료 보관용기(vial)의 마개를 열고 시료모듈에 바로 장착할 수 있게 할 수 있다. 여기광은 시료모듈 위쪽에서 아래의 시료에 조사되며, 시료에서 방출된 형광은 시료모듈의 위쪽으로 진행한다.

(2)광원모듈은 여기광원을 장착하기 위한 모듈이다. 자외선 및 청색 LED를 장착할 수도 있으며, 모듈의 외부에서 레이저광을 입사할 수도 있다.

LED 광원을 사용할 경우에는 LED가 시료모듈의 시료를 향하도록 장치하며, LED를 동작하기 위하여 모듈 밖의 전원에 전기적 연결을 할 수 있다. 시판되는 LED 중에서 방사각이 30° 정도인 LED를 사용할 수 있으며, LED에서 방출한 빛이 시료모듈에 놓인 시료에 입사할 수 있도록 시료모듈의 길이와 직경의 비율을 결정한다.

레이저를 여기광원으로 사용할 경우, 모듈의 외부에서 입사한 레이저 광을 90° 편향 프리즘을 이용하여 광경로를 아래로 향하도록 한다.

광원모듈의 윗부분에는 필터를 놓을 수 있는 홈을 만들며, 이 홈에 필터를 놓아서 고정할 수 있게 한다. 필터는 시료에서 반사한 여기광을 차단하고 시료에서 방출한 빛(형광)만 투과하는 장파장투과필터를 주로 사용하며, 필요에 따라 대역폭차단필터나 대역폭투과필터를 사용한다. 광원모듈 내부 벽면에도 탄소를 coating한다.

(3)센서모듈에는 광섬유다발을 장착할 수 있게 하며, 시료에서 방출한 형광이 광섬유다발을 통하여 측정용 분광계에 입사하도록 한다. 측정용 분광계는 CCD 분광계가 바람직하다. CCD 분광계는 반사회절격자와 CCD 배열센서를 결합한 분광계이다. CCD 분광계는 개인용 컴퓨터와 연결하여 제어하며 형광신호를 측정한다. 시판되고 있는 대부분의 CCD 분광계는 연속측정, 순간측정, 적분, 시간 평균, 시간에 따른 형광세기 측정 모드 등이 있어 여러가지 측정모드로 형광이나 빛의 세기를 측정하는 것이 가능하다. CCD 분광계의 파장 분해능은 1nm 이상이며, 광섬유다발이 입사부로 붙어 있어 렌즈, 거울 등을 사용하지 않고 빛을 효과적으로 분광계에 입사할수 있다.

광원 모듈의 위 부분과 맞물릴 수 있게 센서모듈의 아래 부분을 볼록한 형태로 하며, 광원모듈 위 부분에 놓게 될 필터가 차지하는 공간을 충분히 확보한다. 광이 지나가는 경로가 되는 내부벽면에는 탄소를 코팅한다.

상술한 바와 같이 본 발명의 광경로가 수직한 형광측정장치 모듈에 의하면, 분말이나 액체시료의 형광을 측정 시 시료의 교체가 매우 용이할 뿐만 아니라, 시료를 교체할 때 발생할 수 있는 시료의 손실과 이에 따른 화학적, 생물학적 오염을 줄일 수 있다. 또한, 유사한 화학성분을 가진 다수의 시료에 대한 형광을 측정하는 데 매우 효율적이다.

도 1은 광경로가 수직한 형광측정장치 모듈을 도식적으로 나타낸 결합사시도.

도2는 광경로가 수직한 형광측정장치 모듈 구성의 단면을 보여주는 분해사시도.

도3은 분해사시도를 개략적으로 도시한 것.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예을 통해 본 발명에 대한 보다 상세한 설명을 전개하기로 하며, 첨부되는 도면을 참고하기로 한다. 단, 여기에 첨부되는 도면들은 본 발명의 기술적 사상을 구체화한 하나의 실시 예이며, 따라서 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당업자에 의한 단순한 구조적 변경이나 등가적 요소로의 치환등도 본 발명의 권리범위에 포함되는 것이다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따라 광경로가 수직한 형광측정장치 모듈을 도식적으로 나타낸 결합사시도이다. 상기 도1에 따라 분말상태나 액체상태의 시료는 시료모듈의 바닥에 장치한다. 분말과 액체시료는 보관용기의 마개를 열고 보관용기 채로 시료모듈에 넣을 수 있다. 상기 도1에서 표시한 시료는 보관용기 채로 들어있는 시료를 의미한다. 이와 같이 분말과 액체시료를 시료홀더에 옮겨 담는 과정을 생략함에 따라 시료의 손실을 방지할 수 있고, 시료의 손실에 따른 화학적, 생물학적 오염을 줄일 수 있다.

본 발명의 광경로가 수직한 형광측정장치 모듈에서 여기광과 형광은 상기 도1에서와 같이 수직한 광경로를 따라 진행한다. 광원에서 입사한 여기광이 청색 점선과 같이 시료에 수직하게 조사되고, 시료에서 반사한 여기광(청색 실선)과 시료에서 방출한 형광(주황색 실선)이 위쪽으로 수직하게 진행한다. 시료에서 반사한 여기광은 필터를 통해서 차단되며, 시료에서 방출한 형광만 광섬유다발을 통해 측정용 분광계로 입사한다.

도2는 본 발명의 실시 예에 따라 구성되는 광경로가 수직한 형광측정장치 모듈 구성의 단면을 보여주는 분해사시도이며, 도3은 분해사시도를 개략적으로 도시한 것이다.

상기 도2 또는 도3에 따라 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 광경로가 수직한 형광측정장치 모듈은 크게 시료모듈(100), 광원모듈(200), 센서모듈(300)를 포함하여 구성된다.

상기 시료모듈(100)의 상측 바깥쪽에는 오목한 홈(120)이 형성되어 있으며 이는 광원모듈(200)의 하측 볼록한 부분(210) 결합하기 위한 것이다. 시료모듈(100)의 내부(110)에 고체시료, 분말시료, 액체시료 등을 넣을 수 있는 시료부(110)가 있다. 시료부(110)는 시료 보관용기(vial)가 바로 장착될 수 있게 한다. 시료부(110)의 직경과 높이의 비는 LED 광원의 방사각이나, 여기광의 입사각과 고려하여 제작할 수 있다.

광원모듈(200)의 하측에 볼록한 부분(210)은 시료모듈과 결합하기 위한 것이다. 광원인 LED는 광원모듈(200)의 내부공간(230)에 위치하며, LED에서 방출한 빛이 시료모듈(100)의 시료부(110)로 향하게 장치한다. LED를 동작하기 위한 전기적 연결은 전기연결부(220)에서 제공하며, 직류전원공급장치로 LED에 적합한 전압과 전류를 공급한다.

레이저를 여기광원으로 사용할 때는 전기연결부(220)를 레이점 빔의 광로(220)로 하고, 내부공간(230)에 90° 편향프리즘(230)을 둔다. 모듈의 외부에서 입사한 레이저 빔은 광로(220)를 통과하여 90° 편향 프리즘(230)에 입사하며, 편향 프리즘에서 90° 편향한 레이저 빔은 시료에 조사될 수 있다.

광원모듈(200)의 상측 바깥에는 오목한 홈(240)를 제공하여 센서모듈과 결합하며, 상측 중앙에는 필터(260)를 장착할 수 있는 필터부(250)를 분다. 시판되는 필터의 직경은 1인 또는 2인치의 규격으로 제공되므로 필터부(250)의 홈도 이에 맞게 한다. 본 발명의 광경로가 수직한 형광측정장치 모듈에는 본 발명의 목적에 따라 장파장투과폭필터가 적합하며, 필요에 따라 대역차단필터나, 대역투과필터를 사용할 수 있다.

센서모듈(300)은 분광계와 연결된 광섬유다발(320)을 장착하기 위한 것이다. 분광계의 종류에 따라 연결된 광섬유다발의 크기가 상이하므로 분광계에 적합하게 제작할 수 있다. 센서모듈의 하측 볼록한 부분(310)은 광원모듈(200)의 상측과 결합하기 위한 것이다. 센서모듈의 내부는 탄소를 코팅하여 잡광을 흡수하도록 한다.

Claims (2)

1. 여기광과 형광의 광경로가 수직한 구조를 가진 형광광도계
2. 제1항에 있어 분말이나 액체상태의 시료를 수평하게 장착할 수 있는 시료홀더를 포함하는 형광광도계