KR20110039687A - 표면 플라즈몬 공명 결상 타원 계측기 및 표면 플라즈몬 공명 결상 타원 계측방법 - Google Patents

표면 플라즈몬 공명 결상 타원 계측기 및 표면 플라즈몬 공명 결상 타원 계측방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 표면 플라즈몬 공명 결상 타원 계측기 및 표면 플라즈몬 공명 결상 타원 계측방법에 대한 것이다. 보다 구체적으로, 광을 P파와 S파의 조합으로 이루어진 선편광으로 방출하고, 방출된 선편광을 위상지연하여 타원 편광 입사광을 제공하는 타원 편광 제공부; 타원 편광 제공부에서 발생된 타원 편광 입사광이 입사되고, 타원 편광 입사광에 의해 표면 플라즈몬 공명이 여기되고, 플라즈몬 소장 장 내에 시료를 포함하며, 타원 편광 입사광이 반사되어 시료의 특성에 따라 편광된 반사광을 방출하는 표면 플라즈몬 공명 센서; 및 플라즈몬 공명 센서에서 방출된 반사광이 입사되고, 시료의 형상 및 플라즈몬 공명 센서의 공명 조건을 관찰할 수 있도록 반사광을 검출하는 검출수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 결상 타원 계측기이다.
결상 타원 계측기, 표면 플라즈몬 공명, 편광기, P파, S파, 위상지연수단, 프리즘, 금속박막, 세로발, 기질

Description

표면 플라즈몬 공명 결상 타원 계측기 및 표면 플라즈몬 공명 결상 타원 계측방법{Apparatus and Methed for Surface Plasmon Resonance Imaging Ellipsometry}
본 발명은 표면 플라즈몬 공명 효과와 타원 계측법을 이용하여 세포를 시료로 하여 기질에 접합되어 있는 세포의 세포부착을 관찰할 수 있는 표면 플라즈몬 공명 결상 타원 계측기 및 표면 플라즈몬 공명 결상 타원 계측방법에 대한 것이다.
측정기술 중 편광상태 변화의 측정에 기초하여 시료의 물성정보를 획득하는 타원계측방법이 있다. 일반적으로 특정물체에 입사되고, 반사 또는 투과되는 빛의 편광상태는 해당 물체의 물성과 구조에 기초하는 특성을 나타낸다고 알려져 있다. 이러한 빛의 편광특성을 이용하여 해당물체의 특성(예를 들면, 표면의 구조, 막구조 등)을 특정하는 것을 편광 광학측정기라고 한다.
보통 선편광 상태의 빛은 시료(30)에 입사되고, 반사된 후 타원편광 상태를 갖게 된다. 이와 같이, 수득된 타원 편광 상태의 빛으로부터 해당 시료(30)의 물성과 표면구조에 관한 데이터를 수득하는 것을 타원계측(ellipsometry)이라 한다. 타원계측은 타원계측기라는 장치구조에 의해 구현된다. 이러한 타원계측기에서 측정 하고자 하는 것은 해당분야에서 주로 ψ와 △로 표시되는 파장에 대한 타원계측각이다.
타원계측각은 시료(30)의 물성정보를 나타내는 주요 데이터이다. 도 1a 및 도 1b는 통상적인 타원계측기의 구조를 간단히 도시한 것이다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 타원계측기는 입사광 경로상에 광원부(10), 분광기(11), 편광기(12) 그리고, 반사광 경로에 검광자(13) 및 광감지기(14) 등을 포함하여 구성된다. 광원부(10)로부터 빛이 출사되면 분광기(11), 편광기(12)를 거쳐 시료(30) 위에 입사된다. 이때 광원부(10)로부터 출사되는 빛은 백색광으로 모든 파장의 빛이 포함되어 있다. 분광기(11)는 이중 하나의 파장을 갖는 빛을 필터링한다. 편광기(12)는 특정 편광상태 예를 들면 선편광 상태로 빛을 편광시킨다.
선편광된 상태로 시료(30)에 반사되고, 광 감지기(14)에서 이를 감지함으로써 시료(30)에 대한 물성이나 구조에 대한 데이터를 수득할 수 있다. 분광기(11)에서 미리 백색광을 분광하여 측정광으로 사용하므로 파장정보를 미리 알 수 있다. 따라서, 분광 이후 반사된 빛의 편광 상태를 통해 타원계측각을 산출하는데, 타원계측각은 일반적으로 최종 편광 데이터를 수득하고, 이를 기초로 분광된 입사광에 대한 반사광의 진폭의 비와 위상차에 관해 수학적으로 정리함으로써 구할 수 있다.
도 1b는 분광기(11)가 반사광 경로에 배치된 종래 타원계측기를 도시한 것이다. 타원계측기는, 입사광 경로상에 배열되는 광원부(10), 편광기(12)와 반사광 경로상에 배열되는 검광자(13), 분광기(11) 및 광감지기(14) 등을 포함하여 구성된다. 이러한 타원계측기 구조에서는 광원부(10)의 백색광이 편광기(12)를 통과하면 서 선편광 상태로 조성되고, 시료(30)에 반사된 이후, 타원 편광상태를 갖게 된다. 그리고 검광자(13)를 거쳐 다시 선편광되고, 분광기(11)에 입사될 경우 필터링되어 소정파장의 빛만이 광감지기(14)에서 감지된다. 이때에는 반사 이후 분광이 실시되므로, 측정이 완료되면서 파장정보를 수득할 수 있다. 그리고, 앞서 언급된 바와 같이, 반사 이후 편광상태를 기초로 소정의 수학적 계산을 통해 타원계측각을 획득할 수 있다.
또한, 최근 세포에 대한 연구에서는 세포를 정확히 관찰할 수 있는 것이 중요하다. 특히, 세포는 세포부착(cell adhesion)에 의해 세포외 기질에 접합되어 있다. 이러한 세포부착은 과거 세포를 지지하는 역할만으로 이해하였으나, 최근 외부 자극을 전달하는 시작점으로 재생의학, 암연구 등에서 더욱 중요한 역할을 하고 있어 관찰할 필요성이 높아지고 있다.
이러한 세로발을 관찰하기 위하여 종래에 표면 플라즈몬 공명(SPR, Surface Plasmon Resonance) 효과를 발생시키는 SPR 센서를 이용한 현미경이 사용되었다. SPR 센서는 TM(Transverse Magnetic) 모드로 편광된 광이 공명조건을 만족하는 각도로 금속박막(23)에 입사하는 경우에 발생하는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 센서이다. 금속박막(23)에 입사하는 광원(10)의 파수백터(wavevector)와 표면 플라즈몬의 파수백터(wavvector)사 서로 일치하게 되는 공명조건에서는 입사되는 빛의 에너지가 거의 모두 표면 플라즈몬 모도로 흡수되기 때문에, 결과적으로 금속표면에서 전반사되는 빛의 세기가 최소가 된다.
이때, 상기 금속 표면 위에 존재하는 유전물질의 미세한 굴절률의 변화가 공 명조건을 변화시키게 되는데, 이러한 공명조건의 변화를 측정함으로써 생화학적 상호작용들을 정량분석할 수 있다. 표면 플라즈몬 공명센서는 생체 분자의 상호작용을 형광물질과 같은 표지자 없이 측정할 수 있는 대표적인 비표지 방식 바이오 센서로 알려져 있다.
도 2a 내지 도 2c는 표면 플라즈몬 공명 센서의 개략적인 구조를 도시한 것이다. SPR 센서는 일반적으로 프리즘(21)과 평판형 투명 유전체 기판(22)과 금속박막(23)으로 이루어져, 광원(10)에서 발생된 광을 편광기(12)를 거쳐 TM모드로 편광시킨 후, 프리즘(21)을 거쳐 금속박막(23)으로 입사한 후, 금속박막(23)에 반사되어 프리즘(21)으로 방출되는 반사광을 검출수단(24)에서 검출하도록 구성된다. 프리즘(21)을 통해 입사된 광에 의해서, 금속박막(23)에서 표면 플라즈몬 공명이 발생하는데, 표면 플라즈몬의 공명 조건 변화를 검출수단(24)에서 검출된 반사광의 분석을 통해 검출함으로써, 금속박막(23)의 표면에 위치한 시료(30)에 의한 유효 굴절률 또는 유효 두께의 변화를 측정한다.
보다 구체적으로, 도 2a에 도시된 SPR 센서는 광원(10)에서 발생한 단파장의 입사광을 편광기(12)를 통해 TM모드로 편광시켜 프리즘(21)으로 입사시키는데 구동부(미도시)를 통해 광원(10)을 움직여 입사각도를 변화시킴으로써, 금속박막(23) 위에 존재하는 시료(30)의 유효굴절률 또는 유효두께의 변화에 의한 SPR 각도의 변화를 측정한다. 그리고, 도 2b에 도시된 SPR 센서는 광원(10)으로부터 발생된 단파장의 입사광의 입사각도를 고정하되, 입사광을 이차원 평면 형태로 확장하여 제공하고, 수광소자를 CCD와 같은 1차원 수광소자로 구현함으로써, 금속박막(23) 위의 각 점마다 나타나는 시료(30)로 인한 서로 다른 유효 굴절률 또는 유효 두께변화를 상대적인 명암차이로 표현한다. 이는 일반적으로 다채널 센서 시스템의 한 형태로 응용된다.
또한, 도 2c에 도시된 SPR 센서는 광원(10)으로부터 발생된 단파장의 입사광이 프리즘(21)의 모든 평면에 수직으로 입사할 수 있도록 렌즈(25)를 이용하여 입사광의 초점을 조절한 것으로. 도 2a에서와 같이, 금속박막(23) 하부에 존재하는 시료(30)로 인한 유효 굴절률 또는 유효 두께 변화를 SPR 각도 변화로 측정한다.
그러나, 이러한 통상의 SPR 센서를 이용한 계측장치에서는 기질에 접합된 세포부착의 위치 및 형태를 정확하게 측정하기 어려운 문제가 있다. 따라서, 항원, 항체의 결합을 이용하여 세포에 형광물질을 결합하여 측정하는 기술 등이 사용되고 있다. 그러나, 이러한 형광물질을 세포에 염색하는 것은 많은 시간과 기술이 요구되고, 형광물질에 의해 세포가 이상 행동을 보일 수 있는 문제가 있다. 따라서, 세포를 자연상태로 그대로 두고 관찰하기 위한 방법이 요구되고 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 결상 타원계측기의 원리에 표면 플라즈몬 공명원리를 결합함으로써 시료의 형상을 보다 선명하게 관찰할 수 있게 된다. 본 발명은 최근 재생의학, 암연구 등에서 관찰의 필요성이 높아지고 있는 세포부착의 위치를 정확하게 관찰할 수 있게 된다.
또한, 본 발명은 세포에 특정 형광물질 등을 염색하지 않고, 세포를 자연상태 그대로의 관찰하여 형상을 측정하게 된다. 따라서, 표면 플라즈몬 공명의 장점과 타원계측의 장점을 모두 구비하여 기존의 타원계측기 또는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광학현미경에 비하여 더 높은 콘트라스트(contrast)를 제공하게 된다.
표면 플라즈몬 공명 센서의 금속박막에 표면 플라즈몬 공명이 여기되고, 시료의 형상과 특성에 따른 공명 조건의 변화를 측정하고, P파와 S파를 모두 사용하고, 위상지연시킨 타원 편광 입사광을 사용함으로써 시료의 특성에 따라 편광된 타원계측각을 측정하고, 세포부착 형상을 흑백 명암의 이미지로 실시간 측정함으로써 본 발명의 목적을 달성하게 된다.
본 발명의 그 밖에 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 관련되어 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명확해질 것이다.
본 발명의 목적은, 광을 P파와 S파의 조합으로 이루어진 선편광으로 방출하고, 방출된 선편광을 위상지연하여 타원 편광 입사광을 제공하는 타원 편광 제공 부; 타원 편광 제공부에서 발생된 타원 편광 입사광이 입사되고, 타원 편광 입사광에 의해 표면 플라즈몬 공명이 여기되고, 표면 플라즈몬 소장 장 내에 시료를 포함하며, 타원 편광 입사광이 반사되어 시료의 특성에 따라 편광된 반사광을 방출하는 표면 플라즈몬 공명 센서; 및 플라즈몬 공명 센서에서 방출된 반사광이 입사되고, 시료의 형상 및 플라즈몬 공명 센서의 공명 조건의 변화를 관찰할 수 있도록 반사광을 검출하는 검출수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 결상 타원 계측기로써 달성될 수 있다.
타원 편광 제공부는, 타원 편광 입사광을 표면 플라즈몬 센서의 표면 플라즈몬 공명각도에 맞추어 제공되는 것을 특징으로 할 수 있다.
타원 편광 제공부는, 광원; 광원에서 방출된 광을 P파와 S파의 조합으로 이루어진 선편광을 발생시키는 편광기; 및 편광기에서 방출된 선편광을 위상지연하여 타원 편광 입사광을 형성하는 위상지연수단을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다
표면 플라즈몬 공명 센서는, 입사면에서 타원 편광 입사광이 입사되며, 반사면에서 타원 편광 입사광이 반사되어, 방사면으로 반사광을 방출하는 프리즘; 및 반사면 하부에 위치하고, 프리즘에 입사된 타원 편광 입사광에 의해 표면 플라즈몬 공명이 여기되는 금속박막;을 포함하고, 시료는, 배양수에 존재하고, 금속박막 하면에 부착된 기질과 복수의 세포부착에 의해 기질과 연결된 세포를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
반사광은 시료의 특성에 따라 선편광 또는 타원편광이고, 검출 수단은, 반사면에서 반사된 반사광의 선편광을 검광자를 이용하여 소거시키는 검광자; 및 검광 자에서 소거된 잔여 반사광을 측정하여 시료의 형상을 관찰 및 분석하는 디텍터;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
위상지연수단은, 빠른축을 기준으로 느린축의 편광성분의 위상을 λ/4 만큼 지연시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
표면 플라즈면 공명 센서는, 반사면과 금속박막 사이에 평판형 투명 유전체 기판을 더 포함하고, 타원 편광 입사광은 금속박막과 평판형 투명 유전체 기판의 경계면에서 반사되는 것을 특징으로 할 수 있다.
광원은, 텅스텐-할로겐 램프, 레이저 또는 LED인 것을 특징으로 할 수 있다.
검광자 전단에 구비되고, 반사광이 입사되는 대물렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
프리즘은 삼각 기둥 형상으로 이루어진 것을 특징으로 할 수 있다.
프리즘과 평판형 투명 유전체 기판은 동일한 소재로 일체로 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
금속박막은, 외부 자극에 의해 전자의 방출이 쉽고, 음의 유전상수를 갖는 금속인 것을 특징으로 할 수 있다.
프리즘 및 평판형 투명 유전체 기판은, 배양수보다 고 굴절률을 갖는 투명한 광학 폴리머로 구비된 것을 특징으로 할 수 있다.
선편광 또는 타원편광의 반사광은 기질과 세포를 연결하는 세포부착의 위치정보와 물성정보를 갖고, 디텍터는, 선편광 또는 타원편광의 반사광을 타원 편광 입사광이 반사되는 지점별 위치에 기초하여 결상면에 각축방향을 따라 결상시키는 광검지 수단; 및 광검지 수단으로부터 전송되는 데이터를 기초로 지점별 위치에 상응하는 타원 계측각과 표면 플라즈몬 공명 조건의 변화를 산출하여 세포부착의 위치 및 시료의 형상을 관찰하도록, 광검지 수단에 전기적으로 연결되는 컴퓨터;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
광검지수단은 CCD형 고체촬상소자인 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 카테고리로서, 본 발명의 목적은, 표면 플라즈몬 공명 결상 타원 계측방법에 있어서, 광원에서 발생된 광이 편광기에 입사되어 입사된 광을 P파 및 S파의 조합으로 이루어진 선편광으로 발생시키는 단계; 선편광을 위상지연수단에 의해 위상지연하여 타원 편광 입사광을 발생시키는 단계; 타원 편광 입사광이 플라즈몬 공명 센서의 프리즘 입사면에 입사되어 굴절되고, 배양수에 존재하는 시료 상부에 위치한 금속박막에 반사되어 표면 플라즈몬 공명이 여기되고, 시료의 물성에 따라 편광된 반사광을 프리즘의 방사면으로 방출시키는 단계; 선편광된 반사광 성분을 검광자에 의해 소거시키는 단계; 및 검출수단이 반사광을 입사광이 반사되는 지점 위치에 기초하여 결상면의 각축방향을 따라 결상시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈몬 공명 결상 타원 계측방법으로써 달성될 수 있다.
타원 편광 입사광은 표면 플라즈몬 센서의 표면 플라즈몬 공명각도에 갖추어 입사되는 것을 특징으로 할 수 있다.
타원 편광 입사광 발생 단계는, 빠른 편광축을 기준으로 느린 편광축의 편광성분의 위상을 위상지연시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
금속박막은 외부자극에 의해 전자의 방출이 쉽고, 음의 유전상수를 갖는 금 속인 것을 특징으로 할 수 있다.
배양수에 존재하는 시료는 금속박막 하면에 부착된 기질과 복수의 세포부착에 의해 기질과 접합된 세포를 포함하고, 결상 단계는, 광검지수단이 선편광 반사광을 입사광이 반사되는 지점별 위치에 기초하여 결상면이 각축방향을 따라 결상시키는 단계; 및 컴퓨터가 광검지 수단으로부터 전송되는 데이터를 기초로 파장과 지점별 위치에 상응하는 타원계측각과 표면 플라즈몬 공명 변화를 산출하여 기질에 접합된 세포부착의 위치, 형상 및 시료의 형상을 관찰하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
따라서, 상기 설명한 바와 같은 본 발명의 일실시예에 의하면, 결상 타원계측기의 원리에 표면 플라즈몬 공명원리를 결합함으로써 시료의 형상을 보다 선명하게 관찰할 수 있게 된다. 본 발명은 최근 재생의학, 암연구 등에서 관찰의 필요성이 높아지고 있는 세포부착의 위치를 정확하게 관찰할 수 있게 된다.
기존에 관찰하기 어려웠던 기질과 세포를 접합하고 있는 복수의 세포부착들의 정확한 위치와 형상을 관찰할 수 있게 된다. 모든 반응의 시작점으로 작용하는 이러한 세포부착들의 위치와 형상, 움직임을 정확히 관찰할 수 있게 됨으로써, 의학분야의 연구에 발전을 기대할 수 있다.
또한, 본 발명은 세포에 특정 형광물질 등을 염색하지 않고, 세포를 자연상태 그대로의 관찰하여 형상을 측정할 수 있는 장점이 있다. 따라서, 표면 플라즈몬 공명의 장점과 타원계측의 장점을 모두 구비하여 기존의 타원계측기 또는 표면 플 라즈몬 공명을 이용한 광학현미경에 비하여 더 높은 콘트라스트(contrast)를 제공할 수 있는 효과를 구비하게 된다.
또한, 입사광으로써 P파와 S파를 모두 사용하고, 선편광을 위상지연시킨 타원 편광 입사광을 사용하여 시료의 형상에 따라 편광된 타원계측 원리를 이용하여 기존의 표면 플라즈몬 공명 센서를 이용한 광학현미경보다 관찰하고자하는 부분을 보다 선명한 명암비로써 나타낼 수 있는 장점이 있다.
비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어 졌지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능한 것은 당업자라면 용이하게 인식할 수 있을 것이며, 이러한 변경 및 수정은 모두 첨부된 특허 청구 범위에 속함은 자명하다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 쉽게 실시할 수 있는 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 ‘연결’되어 있다고 할 때, 이는 ‘직접적으로 연결’되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, ‘간접적으로 연결’되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 ‘포함’한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
<표면 플라즈몬 공명 결상 타원 계측기의 구성 및 원리>
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명 결상 타원 계측기의 구성에 대해 설명하도록 한다. 먼저, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명 결상 타원 계측기의 구성을 개략적으로 도시한 모식도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 표면 플라즈몬 공명 결상 타원 계측기는 광원(10), 편광기(12), 위상지연수단(40)으로 구성된 타원 편광 제공부 및 프리즘(21)과 금속박막(23)으로 구성된 표면 플라즈몬 공명 센서(20)(SPR 센서) 및 검광자(60), 디텍터로 구성된 검출수단(70)을 포함한다.
타원 편광 제공부의 광원(10)에서 발생된 광을 P파와 S파가 혼합된 선편광을 발생시키게 된다. 통상의 SPR센서(20)를 이용한 현미경의 경우 P파만을 사용하지만, 본 발명은 P파와 S파를 모두 사용하게 된다. 광원(10)은 예를 들어, 텅스텐-할로겐 램프(QTH lamp), 레이저, LED(light-emitting diode)등이 있다.
도 4a는 편광기(12)에 의해 선편광된 S파와 P파를 도시한 그래프이다. 도 4a에 도시된 바와 같이, S파의 방향과 P파의 방향은 수직을 이루며, 파장은 동일하다.
그리고, 편광기(12)에서 출사한 P파와 S파는 위상지연수단(40)에 입사된다. 위상지연수단(40)은 S파의 위상값을 변화시켜 타원 편광상태를 유도하게 된다. 시 료(30)의 종류에 따라 타원 편광된 빛이 보다 큰 실효성을 갖는 측정광으로 기능한다고 알려져 있는바 S파를 위상지연시켜 타원 편광 입사광(41)을 발생시키게 된다.
도 4b는 P파와 λ/4 만큼 위상을 지연시킨 S파를 도시한 것이다. 따라서, 본 발명은 P파와 S파를 사용하여 S파를 위상지연시켜 타원 편광된 빛을 입사광(41)으로써 이용하게 된다.
타원 편광 입사광(41)은 SPR 센서(20)에 입사되어 표면 플라즈몬 공명 현상을 여기시키게 된다. 그리고, 시료(30)의 형상과 두께 등의 물성에 따라 입사광(41)이 편광되어 선편광 또는 타원편광의 반사광(51)이 방출되게 된다. 본 발명은 이러한 표면 플라즈몬 공명 현상과 타원 계측의 원리를 모두 이용하여 시료(30)의 형상 및 물성정보를 획득하게 된다. 타원 편광 제공부에서 SPR 센서(20)로 제공되는 타원 편광 입사광(41)의 입사각도는 SPR센서(20)의 표면 플라즈몬 공명각도(θSPR)가 된다. 따라서, 타원 편광 제공부로부터 공명각도(θSPR)로 입사되는 타원 편광 입사광(41)에 의해서, SPR 센서(20)에 표면 플라즈몬 공명이 여기 된다.
SPR 센서(20)의 상세구조를 살펴보면, 프리즘(21)과 프리즘(21)의 반사면 하부에 구비된 금속박막(23)을 포함한다. 그리고, 프리즘(21)과 금속박막(23) 사이에 평판형 투명 유전체 기판(22)을 더 포함할 수 있다. 프리즘(21)은 타원 편광 제공부로부터 공명각도(θSPR)로 입사면을 통해 입사되는 타원 편광 입사광(41)을 평판형 투명 유리기판(22)과 금속박막(23)의 경계면으로 전달한다. 그리고, 경계면에서 전반사되어 시료(30)의 특성에 따라 편광된 선편광 반사광(51)을 방사면으로 방출 하는 광학적 커플링 기능을 수행하게 된다. 더 구체적으로 프리즘(21)은 삼각기둥형상으로 이루어지는 것이 바람직하다. 평면형 투명 유전체 기판(22)과 프리즘(21)은 인덱스 매칭 오일 등을 통해 결합하거나, 동일한 재료(예를 들어, 고 굴절율의 투명 폴리머 소재)로 일체로 형성될 수 있다.
그리고, 금속박막(23)은 표면 플라즈몬을 지지하는 금속으로 이루어져, 공명각도(θSPR)로 입사된 타원 편광 입사광(41)에 의해 표면 플라즈몬 공명이 발생한다. 보다 구체적으로, 금속박막(23)은 금(Au), 은(Ag), 구리(Gu), 알루미늄(Al) 등과 같이 외부 자극에 의해 전자의 방출이 쉽고, 음의 유전상수를 갖는 금속을 수십 나노미터(nm, 예를들면, 30~50nm)의 두께로 형성하여 이루어진다. 상기 금속 중에서, 가장 예리한 SPR 공명 피크를 보이는 은(Ag)과, 우수한 표면 안정성을 나타내는 금(Au)이 보편적으로 이용된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 금속박막(23)의 하부면에 시료(30)가 접합되게 된다. 시료(30)는 세포외 기질(31)(ECM, Extracellular Matrix)과 복수의 세포부착(32)들(cell adhesions)에 의해 세포외 기질(31)에 접합된 세포(33)를 포함한다. 시료(30)는 배양수(82)에 존재하여 상태가 지속적으로 보존된다. 도 5는 SPR 센서(20)의 금속박막(23) 하부면에 접합된 시료(30)를 보다 구체적으로 도시한 것이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 시료(30)를 구성하는 세포(33)는 복수의 세포부착(32)들에 의해 기질(31)에 접합되어 있고, 기질(31)은 금속박막(23) 하부면에 접합되어 있다. 시료(30)는 배양수(82)가 포함된 인큐베이터(80)에 존재하여 상태를 유지하고 있다. 인큐베이터(80)와 기질(31)은 가스켓(81)에 의해 결합된다.
타원 편광 입사광(41)이 표면 플라즈몬 공명각도(θSPR)로 입사되어 금속박막(23)에 표면 플라즈몬 공명 현상이 여기되고, 시료(30) 내에 플라즈몬 소산 장에 의해 신호가 증폭되게 된다. 플라즈몬 공명이 최대가 되면 증폭 역시 최대의 효과를 얻을 수 있다.
도 5는 입사각도와 타원 편광 입사광(41)의 반사율간의 관계를 나타낸 그래프이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 표면 플라즈몬 공명각도(θSPR)에서 금속박막(23)에 입사되는 타원 편광 입사광(41)의 파수백터와 표면 플라즈몬의 파수백터가 서로 일치하게 되는 공명조건에서는 입사되는 빛 에너지가 모두 표면 플라즈몬 모두로 흡수되기 때문에, 금속박막(23) 표면에서 전반사되는 빛의 세기, 반사율이 최소가 된다.
표면 플라즈몬 공명이 최대가 되는 공명각도(θSPR)는 프리즘(21)의 굴절률, 평판형 투명 유전체기판(22)의 굴절률, 배양수(82)(물)의 굴절률, 금속박막(23)의 굴절률, 타원 편광 입사광(41)의 파장에 의해 결정된다. 그리고, 이러한 시료(30)의 형상(특히, 세포부착(32)의 위치)에 따른 굴절률의 미세한 변화가 공명조건, 공명각도(θSPR)를 변화시키게 되는데, 이러한 공명 조건의 변화를 측정하여 타원 편광 입사광(41)이 최대 공명 현상이 있어나는 공명각도(θSPR)로 입사하도록 제어하게 된다.
또한, 공명각도(θSPR)는 동일한 파장 조건 하에서 금속박막(23) 위의 유전체의 굴절률에 비례하므로 측정 대상에 따라서, 측정 범위 및 감도가 달라질 수 있다. 검출수단(70)에서는 이러한 공명각도(θSPR)의 변화를 검출하여 표면 플라즈몬 공명 결상 타원 계측기를 제어할 수 있게 된다. 즉, 후에 설명될 검출수단(70)에서 표면 플라즈몬 공명 조건변화를 분석하여 금속박막(23) 표면에 위치한 시료(30)에 의한 유효굴절률, 유효두께의 변화를 측정하여 시료(30)를 분석하고, 형상을 명암비로 관팔하게 된다.
또한, 본 발명은 표면 플라즈몬 공명 현상과 타원 편광 계측 모두를 이용한 것으로 타원 편광 입사광(41)이 SPR 센서(20)의 반사면에 반사되어 시료(30)의 바닥 두께, 물성특성, 세포부착(32) 위치, 시료(30)의 형상, 굴절률에 따라 편광된 선편광 반사광(51)을 방출하게 된다. 따라서, 위상지연수단(40)에 의해 편광된 타원 편광 입사광(41)이 시료(30)가 접합된 금속박막(23)에 반사되면, 반사된 지점의 시료(30)의 위치정보와 함께 해당 반사 지점의 시료(30)의 물성정보에 따라 편광된 선편광 반사광(51)을 수득할 수 있다. 시료(30)에서 세포부착(32)이 접합된 부분의 기질(31)과 세포부착(32)이 접합되지 않은 부분의 기질(31)이 서로 다른 편광을 하게되므로 검출수단(70)에서 반사광을 분석함으로써 세포부착(32)의 위치와 형태를 알 수 있게 된다.
그리고, 선편광 반사광(51)의 반사경로에 배치되는 것은 검광자(60)와 디텍터이다. 검광자(60)는 입사경로에 설치된 편광기(12)와 대응되는 구조를 갖는다. 따라서, 검광자(60)에 의해 선편광 반사광(51)을 다시 타원 편광하여 타원편광 반사광를 디텍터에서 검출하여 시료(30)를 관찰하게 된다. 디텍터는 광검지수단과 광검지수단과 전기적으로 연결된 컴퓨터를 포함한다. 본 발명의 일실시예에서, 광검지수단은 CCD형 고체촬상소자로 구성된다. CCD형 고체촬상소자에는 타원 편광 반사광이 결상되게 된다. 결상된 모습은 시료(30)의 물성정보, 형상, 두께에 따라 서로 다르게 편광된 타원계측각에 따라 달라지게 된다.
도 7은 CCD형 고체촬상소자의 결상면에 결상된 시료(30)의 형상을 도시한 것이다. 도 7에 도시된 바와 같이, CCD형 고체촬상소자의 결상면에 관찰되는 시료(30)의 형상은 세포부착(32)이 접합된 기질부분(91)과 세포부착(32)이 접합되어 있지 않은 기질부분(90)의 타원 계측각이 다르기 때문에, 구별되어 관찰된다. 세포부착(32)이 존재하는 위치에서는 시료(30)가 불균일한 형태를 갖기 때문에 CCD형 고체 촬상소자에서는 흰색으로 나타나게 되고, 세포부착(32)이 존재하지 않는 부분은 어둡게 나타나게 된다. 또한, 본 발명은 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용하기 때문에 이러한 명함비가 종래 기술에 비해보다 선명하게 나타나기 때문에 세포에 형광물질이나 별도의 작업없이 그대로 관찰할 수 있게 된다.
CCD형 고체촬상소자는 분석용 컴퓨터에 전기적으로 연결되어, 수득한 광학 데이터를 컴퓨터에 전송하게 된다. 컴퓨터에는 타원계측각과 표면 플라즈몬 공명 조건 변화를 곧바로 산출할 수 있는 소정의 해석 프로그램이 내장되어 있으므로, 이를 통해 광학 데이터를 기초로 타원계측각과 표면 플라즈면 공명 조건 변화를 즉각적으로 산출할 수 있는 구조가 마련된다.
<표면 플라즈몬 공명 결상 타원 계측방법>
이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 표면 프라즈몬 공명 결상 타원 계측방법에 대해 설명하도록 한다. 먼저, 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 표면 프라즈몬 공명 결상 타원 계측방법의 흐름도를 도시한 것이다.
광원(10)에서 방출된 광이 편광기(12)에 입사되고, 편광기(12)는 입사된 광을 P파와 S파의 조합으로 이루어진 선편광을 발생시키게 된다(S10). 그리고, 위상지연수단(40)은 입사된 선편광을 위상지연하여 타원 편광 입사광(41)을 발생시키게 된다(S20). 구체적 실시예에서는 P파의 위상은 그대로 유지한 채 S파를 λ/4만큼 위상지연시켜 타원 편광하게 된다. 위상지연수단(40)을 통과한 광은 타원 편광 입사광(41)으로써 SPR 센서(20)에 입사하게 된다.타원 편광 입사광(41)은 SPR 센서(20)의 표면 플라즈몬 공명각도(θSPR)에 갖추어 입사된다(S30).
타원 편광 입사광(41)이 플라즈몬 공명 센서(20)의 프리즘(21) 입사면에 굴절되고, 배양수(82)에 존재하는 시료(30) 상부에 존재하는 금속박막(23)에 반사되어 표면 플라즈몬 공명이 여기된다. 그리고, 시료(30)의 위치와 형상 및 물성에 따라 편광된 선편광 반사광(51)을 방출시키게 된다(S40).
앞서 설명한 바와 같이, 배양수(82)에 존재하는 시료(30)는 금속박막(23) 하면에 부착된 기질(31)과 복수의 세포부착(32)에 의해 상기 기질(31)과 접합된 세포(33)를 포함한다. 입사되는 타원 편광 입사광(41)은 시료(30)의 형상, 기질(31) 에 접합된 세포부착(32)의 위치에 따라 편광되어 시료(30)의 위치정보, 물성정보를 갖는 선편광 반사광(51)으로 방출된다.
그리고, 프리즘(21)의 방사면을 통해 방출된 선편광 반사광(51)은 검광자(60)에 입사된다. 검광자(60)에 의해 선편광 반사광(51)을 다시 타원 편광되여 타원 편광 반사광를 발생시키게 된다(S50). 광검지수단은 타원 편광 반사광의 파장과 상기 타원 편광 입사광(41)이 반사되는 지점별 위치에 기초하여 타원 편광 반사광을 결상면의 각축방향을 따라 결상시키게 된다(S60). 광검지수단은 CCD형 고체 촬상소자로 구성됨이 바람직하고, 세포부착(32)이 접합되어 있는 기질(31)과 세포부착(32)이 접합되지 않은 부분의 기질(31)로 구분하여 시료(30)를 관찰할 수 있도록 결상면에 결상된다.
구체적으로 관찰된 시료(30)의 형상은 세포부착(32)이 접합된 기질부분(91)과 세포부착(32)이 접합되어 있지 않은 기질부분(90)의 타원 계측각과 표면 플라즈몬 공명 조건이 다르기 때문에, 구별하여 관찰할 수 있게 된다. 세포부착(32)이 존재하는 위치(91)에서는 시료(30)가 불균일한 형태를 갖기 때문에 CCD형 고체 촬상소자에서는 흰색으로 나타나게 되고, 세포부착(32)이 존재하지 않는 부분(90)은 어둡게 나타나게 된다. 또한, 본 발명은 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용하기 때문에 이러한 명함비가 보다 선명하게 나타나게 된다. 따라서, 세포에 형광물질이나 별도의 작업없이 그대로 관찰할 수 있게 된다.
CCD형 고체촬상소자는 분석용 컴퓨터에 전기적으로 연결되어, 수득한 광학 데이터를 컴퓨터에 전송하게 된다. 컴퓨터에는 타원계측각과 표면 플라즈몬 공명 조건의 변화를 곧바로 산출할 수 있는 소정의 해석 프로그램이 내장되어 있으므로, 이를 통해 광학 데이터를 기초로 타원계측각과 표면 플라즈몬 공명 조건변화를 즉각적으로 산출하게 된다.
도 1a는 제 1 실시예에 따른 종래 타원계측기의 구성도,
도 1b는 제 2 실시예에 따른 종래 타원계측기의 구성도,
도 2a는 제 1 실시예에 따른 종래의 SPR센서를 이용한 광학현미경의 구성도,
도 2b는 제 1 실시예에 따른 종래의 SPR센서를 이용한 광학현미경의 구성도,
도 2c는 제 1 실시예에 따른 종래의 SPR센서를 이용한 광학현미경의 구성도,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명 결상 타원 계측장치의 구성도,
도 4a는 편광기에서 발생된 P파와 S파의 시간-크기 그래프,
도 4b는 위상지연수단에서 S파가 λ/4만큼 위상지연된 P파와 S파의 시간-크기 그래프,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명 결상 타원 계측장치의 시료부분을 구체적으로 도시한 구성도,
도 6은 SPR센서에 입사되는 타원 편광 입사광의 입사각과 반사율과의 관계 및 공명 각도 변화를 도시한 그래프,
도 7은 CCD 고체형 촬상장치의 결상면에 결상된 시료의 형상
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명 결상 타원 계측방법의 흐름도를 도시한 것이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10:광원
11:분광기
12:편광기
13:종래기술의 검광자
14:광감지기
20:SPR 센서
21:프리즘
22:평판형 유전체 기판
23:금속박막
24:종래기술의 검출수단
25:렌즈
30:시료
31:기질
32:세포부착
33:세포
40:위상지연수단
41:타원 편광 입사광
50:대물렌즈
51:선편광 반사광
60:검광자
70:검출수단
80:인큐베이터
81:가스켓
82:배양수
90:세포부착이 접합되지 않은 기질부분
91:세포부착이 접합된 기질부분
λ:파장
θSPR:공명각도

Claims (20)

  1. 광을 P파와 S파의 조합으로 이루어진 선편광을 발생시키고, 상기 선편광을 위상지연하여 타원 편광 입사광을 제공하는 타원 편광 제공부;
    상기 타원 편광 제공부에서 발생된 상기 타원 편광 입사광이 입사되고, 상기 타원 편광 입사광에 의해 표면 플라즈몬 공명이 여기되고, 표면 플라즈몬 소장 장 내에 시료를 포함하며, 상기 타원 편광 입사광이 반사되어 시료의 특성에 따라 편광된 반사광을 방출하는 표면 플라즈몬 공명 센서; 및
    상기 플라즈몬 공명 센서에서 방출된 상기 반사광이 입사되고, 상기 시료의 형상 및 상기 플라즈몬 공명 센서의 공명 조건의 변화를 관찰할 수 있도록 상기 반사광을 검출하는 검출수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 결상 타원 계측기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 타원 편광 제공부는,
    상기 타원 편광 입사광을 상기 표면 플라즈몬 센서의 표면 플라즈몬 공명각도에 맞추어 제공되는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 결상 타원 계측기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 타원 편광 제공부는,
    광원;
    상기 광원에서 방출된 광을 P파와 S파의 조합으로 이루어진 상기 선편광을 발생시키는 편광기; 및 상기 편광기에서 방출된 상기 선편광을 위상지연하여 상기 타원 편광 입사광을 형성하는 위상지연수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 결상 타원 계측기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 표면 플라즈몬 공명 센서는,
    입사면에서 상기 타원 편광 입사광이 입사되며, 반사면에서 상기 타원 편광 입사광이 반사되어, 방사면으로 상기 반사광을 방출하는 프리즘; 및
    상기 반사면 하부에 위치하고, 상기 프리즘에 입사된 타원 편광 입사광에 의해 표면 플라즈몬 공명이 여기되는 금속박막;을 포함하고,
    상기 시료는,
    배양수에 존재하고, 상기 금속박막 하면에 부착된 기질과 복수의 세포부착에 의해 상기 기질과 연결된 세포를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 결상 타원 계측기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 반사광은 시료의 특성에 따라 선편광 또는 타원 편광이고,
    상기 검출수단은,
    상기 반사면에서 반사된 상기 반사광의 상기 선편광을 소거시키는 검광자; 및
    상기 검광자에서 소거된 잔여 반사광을 측정하여 시료의 형상을 관찰 및 분석하는 디텍터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 결상 타원 계측기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 위상지연수단은,
    빠른축을 기준으로 느린 축의 편광성분의 위상을 λ/4 만큼 지연시키는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 결상 타원 계측기.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 표면 플라즈면 공명 센서는,
    상기 반사면과 상기 금속박막 사이에 평판형 투명 유전체 기판을 더 포함하고, 상기 타원 편광 입사광은 상기 금속박막과 상기 평판형 투명 유전체 기판의 경계면에서 반사되는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 결상 타원 계측기.
  8. 제 3 항에 있어서,
    상기 광원은,
    텅스텐-할로겐 램프, 레이저 또는 LED인 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 결상 타원 계측기.
  9. 제 3 항에 있어서,
    상기 검광자 전단에 구비되고, 상기 반사광이 입사되는 대물렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 결상 타원 계측기.
  10. 제 4 항에 있어서,
    상기 프리즘은 삼각 기둥 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 결상 타원 계측기.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 프리즘과 상기 평판형 투명 유전체 기판은 동일한 소재로 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 결상 타원 계측기.
  12. 제 4 항에 있어서,
    상기 금속박막은,
    외부 자극에 의해 전자의 방출이 쉽고, 음의 유전상수를 갖는 금속인 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 결상 타원 계측기.
  13. 제 7 항에 있어서,
    상기 프리즘 및 상기 평판형 투명 유전체 기판은,
    상기 배양수보다 고 굴절률을 갖는 투명한 광학 폴리머로 구비된 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 결상 타원 계측기.
  14. 제 5 항에 있어서,
    선편광 또는 타원편광 상기 반사광은 상기 기질과 세포를 연결하는 상기 세포부착의 위치정보와 물성정보를 갖고,
    상기 디텍터는,
    상기 반사광을 상기 타원 편광 입사광이 반사되는 지점별 위치에 기초하여 결상면에 각축방향을 따라 결상시키는 광검지 수단; 및
    상기 광검지 수단으로부터 전송되는 데이터를 기초로 상기 지점별 위치에 상응하는 타원 계측각과 상기 표면 플라즈몬 공명 조건의 변화를 산출하여 상기 세포부착의 위치 및 시료의 형상을 관찰하도록, 상기 광검지 수단에 전기적으로 연결되는 컴퓨터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 결상 타원 계측기.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 광검지수단은 CCD형 고체촬상소자인 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 결상 타원 계측기.
  16. 표면 플라즈몬 공명 결상 타원 계측방법에 있어서,
    광원에서 발생된 광이 편광기에 입사되어 입사된 광을 P파 및 S파의 조합으로 이루어진 선편광을 발생시키는 단계;
    상기 S파를 위상지연수단에 의해 위상지연하여 타원 편광 입사광을 발생시키는 단계;
    상기 타원 편광 입사광이 플라즈몬 공명 센서의 프리즘 입사면에 입사되어 굴절되고, 배양수에 존재하는 시료 상부에 위치한 금속박막에 반사되어 표면 플라즈몬 공명이 여기되고, 시료의 물성에 따라 편광된 반사광을 프리즘의 방사면으로 방출시키는 단계;
    상기 반사광을 검광자에 의해 선편광하여 선편광 반사광을 발생시키는 단계; 및
    검출수단이 상기 선편광 반사광을 상기 타원 편광 입사광이 반사되는 지점 위치에 기초하여 결상면의 각축방향을 따라 결상시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈몬 공명 결상 타원 계측방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 타원 편광 입사광은 상기 표면 플라즈몬 센서의 표면 플라즈몬 공명각도에 갖추어 입사되는 것을 특징으로 하는 플라즈몬 공명 결상 타원 계측방법.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 타원 편광 입사광 발생 단계는,
    상기 S파의 위상지연시키는 것을 특징으로 하는 플라즈몬 공명 결상 타원 계측방법.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 금속박막은 외부자극에 의해 전자의 방출이 쉽고, 음의 유전상수를 갖는 금속인 것을 특징으로 하는 플라즈몬 공명 결상 타원 계측방법.
  20. 제 16 항에 있어서,
    배양수에 존재하는 상기 시료는 상기 금속박막 하면에 부착된 기질과 복수의 세포부착에 의해 상기 기질과 접합된 세포를 포함하고,
    상기 결상 단계는,
    광검지수단이 상기 선편광 반사광을 상기 타원 편광 입사광이 반사되는 지점별 위치에 기초하여 결상면이 각축방향을 따라 결상시키는 단계; 및
    컴퓨터가 상기 광검지 수단으로부터 전송되는 데이터를 기초로 상기 지점별 위치에 상응하는 타원계측각과 표면 플라즈몬 공명 변화를 산출하여 상기 기질에 접합된 세포부착의 위치, 형상 및 시료의 형상을 관찰하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈몬 공명 결상 타원 계측방법.
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