KR20120020848A

KR20120020848A - 나노 구조 기반의 초고해상도 영상 방법 및 장치

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Publication number: KR20120020848A
Application number: KR1020100084735A
Authority: KR
Inventors: 김동현; 김규정; 오영진; 이원주
Original assignee: 연세대학교 산학협력단
Priority date: 2010-08-31
Filing date: 2010-08-31
Publication date: 2012-03-08
Also published as: WO2011105692A3; US9019599B2; WO2011105692A2; KR101198476B1; US20130050813A1

Abstract

본 발명은 나노 구조 기반의 초고해상도 형광 영상 장치 및 이를 이용한 형광 영상 방법을 개시한다. 본 발명은 복수의 나노구조를 구비하는 금속 나노구조층; 상기 복수의 나노구조의 국소 영역에서 표면 플라스몬 공명을 발생시키기 위한 입사광을 제공하는 광원부; 상기 입사광의 특성을 변경하는 입사광 변경부; 및 상기 표면 플라스몬 공명에 의해 상기 국소 영역에 위치한 시료에서 발생하는 형광 신호를 추출하고 영상화하는 형광 영상 검출부를 포함하는 형광 영상 장치를 제공한다. 본 발명에 따르면 시료의 선택적 여기를 통해 분해능을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

Description

나노 구조 기반의 초고해상도 형광 영상 장치 및 이를 이용한 형광 영상 방법{Nano structure based super resolved fluorescence image apparatus and fluorescence image method}

본 발명은 나노 구조 기반의 초고해상도 형광 영상 장치 및 이를 이용한 형광 영상 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 시료의 선택적 측정이 가능한 형광 영상 장치 및 이를 이용한 형광 영상 방법에 관한 것이다.

최근 바이오산업이 미래를 선도할 차세대 사업으로 부상하고 있으며, 이에 따라 측정 시스템 분야에서도 다양한 생체 영상법이 개발되고 있는 추세이다.

형광 영상법은 생체 분자에 형광체를 붙여 세포나 조직 내에 주입하고 특정 파장의 광원을 통해 형광체를 여기(excitation)시켜 영상을 얻는 방법으로서, 생체 내 분자간의 상호 작용에 대한 연구 등에 주로 사용되고 있다.

전반사 형광 영상법은 빛이 전반사될 때 형성되는 소실파를 이용하여 형광체를 여기 시키는 방법으로서, 소실파가 표면으로부터 수백 나노미터 사이에 형성되기 때문에 특정 범위 안의 형광체만 선택적으로 여기시킬 수 있으며, 이러한 특징으로 인하여 형광 영상법 중에서도 세포막 등의 특정 계면에서의 상호 작용을 연구하는데 주로 사용된다.

이러한 원리가 적용된 전반사 형광 현미경(total internal reflection fluorescence microscope: TIRF 현미경)은 입사광의 전반사로부터 발생하는 소실파를 이용하여 형광 물질로 염색된 시료의 형광 신호를 검출하고 이를 영상화한 정보를 얻을 수 있다. 전반사 형광 현미경은 세포 생물학, 분자 생물학, 의학 분야의 연구에서 많이 사용되며, 특히 세포의 표면에서 일어나는 다양한 단백질 반응이나 약물에 의한 세포 표면 변화 연구에 직접적으로 이용되고 있다.

기존의 전반사 형광 현미경은, 시료와 기판 사이의 계면에서 입사광를 전반사시켜 발생하는, 깊이 방향으로 국소화된 소실파로 시료에 염색된 형광체를 여기(excitation) 시키고 여기된 형광체에서 방출된 형광 신호를 검출하고 영상화하는 기본적인 구성을 가지고 있다. 그러나 아베(Abbe)의 회절 방정식에 의해 계산될 수 있는 수평 방향으로의 분해능 한계보다 작은 분자 또는 분자의 이동 경로 등을 기존의 전반사 형광 현미경으로는 검출하기가 불가능하거나 어렵다. 따라서 깊이 방향으로의 높은 분해능뿐만 아니라, 수평 방향으로의 높은 분해능을 갖는 전반사 형광 현미경이 필요하다.

나아가, 종래의 전반사 형광 현미경은 동일한 표면 내에서 선택적인 여기가 불가능한 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 표면 내에서 선택적인 여기가 가능한 나노 구조 기반의 초고해상도 형광 영상 장치 및 이를 이용한 형광 영상 방법을 제안하고자 한다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 복수의 나노구조를 구비하는 금속 나노구조층; 상기 복수의 나노구조의 국소 영역에서 표면 플라스몬 공명을 발생시키기 위한 입사광을 제공하는 광원부; 상기 입사광의 특성을 변경하는 입사광 변경부; 및 상기 표면 플라스몬 공명에 의해 상기 국소 영역에 위치한 시료에서 발생하는 형광 신호를 추출하고 영상화하는 형광 영상 검출부를 포함하는 형광 영상 장치가 제공된다.

상기 입사광의 특성은 상기 입사광의 입사방향, 입사각 및 파장 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

상기 입사광 변경부는 미리 설정된 시간 간격으로 서로 다른 특성을 갖는 입사광이 상기 금속 나노구조층에 입사되도록 할 수 있다.

상기 입사광 변경부는, 상기 광원부에서 출사된 입사광을 반사하는 제1 미러; 회전을 통해 상기 제1 미러에서 반사되는 입사광을 제1 방향 또는 제2 방향으로 반사하는 회전 미러; 상기 제1 방향에 위치하며 상기 회전 미러에서 반사된 입사광을 상기 금속 나노구조층으로 반사하는 제2 미러; 및 상기 제2 방향에 위치하며 상기 회전 미러에서 반사된 입사광을 상기 금속 나노구조층으로 반사하는 제3 미러를 포함할 수 있다.

상기 입사광 변경부는, 위치가 변경되어 상기 광원부에서 출사된 입사광을 반사하는 리니어 스테이지; 및 상기 리니어 스테이지에서 반사된 입사광을 상기 금속 나노구조층으로 입사하는 비구면 렌즈를 포함하되, 상기 비구면 렌즈는 상기 리니어 스테이지의 위치에 따라 서로 다른 입사 방향을 갖는 입사광을 상기 금속 나노구조층으로 입사할 수 있다.

상기 리니어 스테이지는 대향 배치되는 제1 리니어 스테이지 및 제2 리니어 스테이지를 포함할 수 있다.

상기 금속 나노구조층의 하부에 배치되는 반구체 프리즘을 더 포함하며, 상기 비구면 렌즈는 서로 다른 특성을 갖는 입사광을 시간차를 두고 상기 반구체 프리즘으로 입사할 수 있다.

상기 복수의 나노구조는 서로 다른 공명각을 갖는 복수의 금속으로 이루어지며, 상기 입사광 변경부는 상기 복수의 금속 각각의 공명각에 상응하는 입사각을 갖는 복수의 입사광이 상기 금속 나노구조층에 입사되도록 할 수 있다.

상기 복수의 나노구조는 불규칙하게 배열된 나노섬, 나노기둥 또는 나노홀 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

상기 복수의 나노구조는 일정한 주기를 갖고 규칙적으로 배열된 나노섬, 나노기둥 또는 나노홀 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

상기 나노섬, 나노기둥 또는 나노홀의 단면은 원형 또는 n각형-여기서, n은 3이상 자연수-으로 이루어질 수 있다.

상기 복수의 나노구조는 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt) 및 알루미늄(Al) 중 적어도 하나 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다.

본 발명에 따른 형광 영상 장치는 프리즘; 및 상기 프리즘의 상부에 배치되는 투명 기판을 더 포함하되, 상기 투명 기판의 상부에는 상기 금속 나노구조층이 배치될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 복수의 나노구조를 구비하는 금속 나노구조층; 상기 복수의 나노구조의 국소 영역에서 표면 플라스몬 공명을 발생시키기 위한 입사광을 제공하는 광원부; 및 상기 표면 플라스몬 공명에 의해 상기 국소 영역에 위치한 시료에서 발생하는 형광 신호를 추출하고 영상화하는 형광 영상 검출부를 포함하되, 상기 금속 나노구조층에서는 시간차를 두고 특성이 다른 입사광이 제공되는 형광 영상 장치가 제공된다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 시료의 여기에 의해 발생된 형광 신호를 검출하는 방법으로서, 제1 시간에 제1 특성을 갖는 입사광을 입사하여 금속 나노구조층의 제1 국소 영역에 표면 플라스몬 공명을 발생시키는 단계; 상기 제1 국소 영역에 위치한 시료의 형광 신호를 검출하는 단계; 제2 시간에 제2 특성을 갖는 입사광을 입사하여 상기 금속 나노구조층의 제2 국소 영역에 표면 플라스몬 공명을 발생시키는 단계; 및 상기 제2 국소 영역에 위치한 시료의 형광 신호를 검출하는 단계를 포함하는 형광 영상 방법이 제공된다.

상기 제1 특성 및 제2 특성은 입사 방향, 입사각 및 파장 중 적어도 하나가 상이한 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 금속 나노구조층에 복수의 나노구조를 형성하고, 여기에 특성이 다른 입사광을 제공하여 각 입사광에 따라 서로 다른 국소 영역에 표면 플라스몬 공명을 발생시킬 수 있어 분해능이 향상된 영상을 검출할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 형광 영상 장치의 블록도이다.
도 2는 일반적인 전반사 형광 현미경의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 금속 나노구조층을 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 형광 영상 장치의 상세 구조를 도시한 도면.
도 5 내지 도 8은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 금속 나노구조층의 단면 및 다양한 나노구조 형상에서 서로 다른 입사 방향을 갖는 입사광에 의해 서로 다른 국소 영역에 표면 플라스몬 공명이 발생된 상태를 도시한 도면.
도 9는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 입사광 변경부를 도시한 도면.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 입사광 변경부를 도시한 도면.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라스모닉 울타리를 도시한 도면.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 형광 영상 장치에 적용될 수 있는 규칙적으로 배열된 금속 나노홀을 나타내는 SEM(Scanning Electron Microscopy) 사진.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 형광 영상 장치에 적용될 수 있는 불규칙하게 배열된 금속 나노섬을 나타내는 SEM 사진.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 형광 영상 장치에 적용될 수 있는 불규칙하게 배열된 금속 나노홀을 나타낸 SEM 사진.
도 15는 도 2와 도 3에 따른 구조에서 각각 검출된 형광 영상을 도시한 도면.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면 번호에 상관없이 동일한 수단에 대해서는 동일한 참조 번호를 사용하기로 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 형광 영상 장치의 블록도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 형광 영상 장치는 금속 나노구조층(100), 광원부(102), 입사광 변경부(104) 및 형광 영상 검출부(106)를 포함할 수 있다.

금속 나노구조층(100)은 복수의 나노구조를 구비하고 있으며, 여기서, 복수의 나노구조는 불규칙하게 배열된 나노섬, 나노기둥 또는 나노홀일 수 있다. 또한, 이에 한정됨이 없이 복수의 나노구조는 일정한 주기를 가지고 규칙적으로 배열된 나노섬, 나노기둥 또는 나노홀일 수도 있다.

불규칙적으로 배열된 나노섬 및 나노홀은 각각 도 12 및 도 13에 도시되며, 규칙적으로 배열된 나노홀은 도 14에 도시된다.

도 12와 같이, 불규칙하게 배열된 금속 나노섬은 예를 들어, 은(Ag) 박막 위에 은(Ag)으로 된 금속층을 얇게 형성한 후 150 내지 200℃에서 가열해줌으로써 형성할 수 있다.

또한, 도 13과 같이, 금속 박막 상에 형성된 금속층(예컨대, Ag층)을 적절히 가열함으로써 불규칙한 나노홀 구조를 형성할 수 있다.

도 14와 같이, 규칙적으로 배열된 나노홀은 예를 들어, 은(Ag) 박막 위에서 전자빔 리소그래피를 이용하여 제조될 수 있다.

바람직하게, 나노섬, 나노기둥 또는 나노홀을 소정의 다각형 형상을 가질 수 있으며, 예를 들어, 삼각형, 직사각형, 정사각형, 마름모 또는 원형 등 다양한 형상을 가질 수 있다.

본 실시예에 따른 금속 나노구조층(100)에서 복수의 나노구조는 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt) 또는 알루미늄(Al) 중 적어도 하나로 이루어질 수 있으며, 또는 복수의 나노구조 각각이 상기한 금속들 중 서로 다른 금속으로 이루어질 수도 있다.

광원부(102)는 442 nm의 파장을 갖는 입사광을 방출하는 헬륨-카드뮴 레이저 광원, 또는 488 내지 532 nm의 파장을 갖는 입사광을 방출하는 아르곤-아이온 레이저 광원, 또는 632.8 nm의 파장을 갖는 입사광을 방출하는 헬륨-네온 레이저 광원을 사용할 수 있다.

광원부(102)에서 출사된 입사광은 금속 나노구조층(100)에 제공되며, 복수의 나노구조의 국소 영역에서 표면 플라스몬 공명(Surface Plasmon Resonance, SPR)을 발생시킨다.

금속 나노구조층(100)에서 표면 플라스몬 공명이 발생될 수 있는 조건들은 RCWA(rigorous coupled wave analysis) 또는 FDTD(finite difference time domain)을 통한 계산에 의해 구할 수 있다. 금속 나노구조층(100)을 형성하는 방법은 금속 박막에 전자빔 리소그래피(E-beam lithography) 등의 반도체 집적에 사용되는 공정들이 적용될 수 있다.

플라스몬은 금속 내의 자유전자가 집단적으로 진동하는 유사 입자를 의미하며, 금속 나노구조층(100)에서는 플라스몬이 표면에 국부적으로 존재하기 때문에 표면 플라스몬이라 한다. 복수의 나노구조 상에 존재하는 표면 플라스몬이 입사광(광자)과 결합되어 강화된 전기장이 발생되는 현상을 표면 플라스몬 공명이라 하며, 본 실시예에서와 같이 국소 영역에서 표면 플라스몬 공명이 발생되는 경우 이를 국소 표면 플라스몬 공명(Localized SPR)이라 한다.

본 실시예에 따르면, 입사광은 금속 나노구조층(100) 하부에서 전반사되며, 전반사에 의해 발생된 소실파에 의해 국소 영역에서 표면 플라스몬 공명이 발생된다.

상기와 같이, 표면 플라스몬 공명을 위해 전반사가 이용된다는 점에서 본 실시예에 따른 형광 영상 장치는 전반사 형광 현미경으로 정의될 수 있다.

본 실시예에 따른 금속 나노구조층(100) 상에서는 형광 물질이 염색된 시료가 배치되며, 표면 플라스몬 공명이 발생된 국소 영역에 위치한 시료(형광체)는 여기되어 형광 신호를 방출한다.

형광 영상 검출부(106)는 국소 영역에서 발생된 형광 신호를 추출하고 이를 영상화한다.

도 2는 일반적인 전반사 형광 현미경의 원리를 설명하기 위한 도면으로서, 도 2를 참조하면 복수의 나노구조를 포함하지 않은 금속 박막(200)에 입사광을 제공하며, 금속 박막 상에 표면 플라스몬 공명이 발생되며 이에 의해 금속 박막 상에 여기된 형광체(202)가 존재하게 된다.

일반적으로, 형광 영상 검출부(106)는 아베(Abbe)의 회절 방정식에 의해 계산될 수 있는 수평 방향으로의 분해능이 미리 설정되어 있으며, 도 2에 도시된 바와 같은 분해능 조건 하에서 금속 박막(200) 상에 여기된 형광체가 다수 존재하는 경우, 형광 영상 검출부(106)는 서로 인접한 형광체(202-1,202-2)를 구분할 수 없는 문제점이 있다(도 15a 참조).

도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 금속 나노구조층을 도시한 도면이다.

도 3은 복수의 나노구조가 나노홈으로 이루어진 것을 도시한 것으로서, 도 3과 같이 금속 나노구조층(100)이 복수의 나노구조로 이루어지는 경우 도 2와 달리 국소 영역에 표면 플라스몬 공명을 발생시킬 수 있으며, 국소 영역에 위치한 형광체만을 선택적으로 여기시킬 수 있다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 도 3의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 입사광의 입사 방향을 달리함으로써 나노구조의 서로 다른 국소 영역(300,302)에 위치한 형광체(304, 306)를 선택적으로 여기시킬 수 있다(도 15b 참조).

도 15b는 도 3과 같은 나노구조의 양쪽 엣지(300,302)에 모두 형광체가 존재하는 경우에 검출된 형광 영상을 도시한 것으로서, 본 실시예와 같이 입사 방향을 달리하여 제공하는 경우, 도 15a와 달리 양쪽 엣지에 위치한 형광체를 선택적으로 여기시킬 수 있어 고해상도의 영상을 얻을 수 있다.

이러한 경우, 금속 나노구조층(100) 상에 위치한 형광체 중 일부만이 여기되기 때문에 결과적으로 형광 영상 검출부(106)의 분해능이 향상된 것과 동일한 결과를 얻을 수 있다.

본 실시예에 따르면, 입사광 변경부(104)는 광원부(102)에서 출사된 입사광의 특성을 변경하는 것으로서, 도 3과 같이 금속 나노구조층(100)에 입사 방향(L1, L2)이 상이한 입사광을 제공한다.

상기에서는 입사광 변경부(104)가 입사 방향을 변경하는 것으로 도시하였으나, 이에 한정됨이 없이 입사광 변경부(104)는 광원부(102)의 입사각 또는 파장을 변경할 수도 있으며, 이를 통해 금속 나노구조층(100)의 다양한 국소 영역에서 표면 플라스몬 공명이 발생되도록 한다.

도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 형광 영상 장치의 상세 구조를 도시한 도면이다.

도 4는 도 3에서와 같이 금속 나노구조층(100)에 입사 방향이 상이한 2개의 입사광을 제공하기 위한 형광 영상 장치의 구조를 도시한 도면이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 형광 영상 장치는 광원부(102)에 해당하는 레이저 출사부(400), 빔확장기(402) 및 편광기(404)를 포함할 수 있다.

레이저 출사부(400)를 통해 소정 파장의 레이저광(입사광)이 출사되고, 입사광은 빔확장기(402)을 거쳐 편광기(404)에 의해 TM(Transverse Magnetic) 모드로 편광된다.

본 실시예에 따르면, 편광기(404)에서 출력된 입사광은 입사광 변경부(104)를 거쳐 프리즘(420) 상에 위치하는 금속 나노구조층(100)으로 입사된다.

금속 나노구조층(100)에 입사 방향이 다른 입사광을 제공하기 위해, 입사광 변경부(104)는 제1 미러(406), 회전 미러(408), 제2 미러(410) 및 제3 미러(412)를 포함할 수 있다.

여기서, 제1 미러(406)는 편광기(404)에서 출력된 입사광을 회전 미러(408) 측으로 반사한다.

회전 미러(408)는 회전을 통해 제1 미러(406)에서 반사된 입사광을 제1 방향 또는 제2 방향으로 반사한다.

도 4에서 제1 방향은 좌측, 즉 제2 미러(410)가 위치하는 방향으로 정의하며, 제2 방향은 우측, 즉 제3 미러(412)가 위치하는 방향으로 정의한다.

제2 미러(410)는 제1 방향에 위치하며, 회전 미러(408)에서 반사된 입사광을 프리즘(420)으로 반사한다.

또한, 제3 미러(412)는 제2 방향에 위치하며, 회전 미러(408)를 통해 반사된 입사광을 프리즘(420)으로 반사한다.

바람직하게 회전 미러(408)와 제2 미러(410) 및 제3 미러(412) 사이에는 핀홀(414)이 추가로 배치될 수 있다.

본 실시예에 따르면, 회전 미러(408)는 미리 설정된 시간 간격으로 회전하여 입사광이 제1 방향 또는 제2 방향으로 반사되도록 한다.

상기와 같은 시간차에 의해 제1 시간에는 제1 미러(406), 회전 미러(408) 및 제2 미러(410)를 통해 제1 입사 방향(L1)으로 금속 나노구조층(100)에 입사광이 입사될 수 있으며, 제1 시간에서 미리 설정된 시간이 경과된 제2 시간에는 제1 미러(406), 회전 미러(408) 및 제3 미러(412)를 통해 제2 입사 방향(L2)으로 금속 나노구조층(100)에 입사광이 입사될 수 있다.

금속 나노구조층(100)이 도 3과 같이 나노홀 구조를 가질 때, 입사광이 제1 입사 방향(L1)을 가지는 경우, 제1 국소 영역(300)에서 표면 플라스몬 공명이 발생되며, 제1 국소 영역에 위치한 형광체가 여기된다.

한편, 입사광이 제2 입사 방향(L2)를 가지는 경우, 제2 국소 영역(302)에 표면 플라스몬 공명이 발생되며, 제2 국소 영역에 위치한 형광체가 여기되어 형광 영상 검출부(106)에 의해 형광 신호가 검출된다.

형광 영상 검출부(106)는 대물 렌즈(430) 및 촬상 소자(440)를 포함할 수 있으며, 형광체의 여기에 의해 방출된 형광 신호는 대물 렌즈(430)와 대비 감도의 향상을 위한 밴드패스 필터(도시하지 않음)를 통과한 후 촬상 소자(440)에 의해 2차원의 영상 형태로 검출될 수 있다.

도 4에 도시되지는 않았으나, 프리즘(420)과 금속 나노구조층(100) 사이에는 투명 기판이 추가로 제공될 수 있다.

이때, 투명 기판과 프리즘(420)의 재질은 동일할 수 있으며, 투명 기판과 금속 나노구조층(100) 사이에는 예를 들어, 크롬(Cr)막과 같은 접착성을 향상시키기 위한 금속막이 추가로 구비될 수 있다.

본 실시예에 있어서, 투명 기판과 그 위에 형성된 금속 나노구조층(100)이 형광 영상 장치용 검출 모듈로서, 독립적인 부품 형태로 제공될 수 있다.

한편, 도 4의 형광 영상 장치에 있어서, 프리즘(420)을 생략하고 대신에 대물 렌즈(430)를 프리즘(420) 위치에 배치시킬 수도 있다. 예를 들어, 0.8 이상의 개구수를 갖는 대물 렌즈(430)를 투명 기판 아래에 배치하여(프리즘은 생략) 입사광을 전반사시킬 수도 있다. 이 경우, 촬상 소자(440)는 대물렌즈(430) 아래에 배치되고, 수직 및 수평 방향으로 국소화된 소실파에 의해 방출되는 형광 신호를 투명 기판 아래에서 검출하게 된다.

도 5 내지 도 8은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 금속 나노구조층(100)의 단면 및 다양한 나노구조 형상에서 서로 다른 입사 방향을 갖는 입사광에 의해 서로 다른 국소 영역에 표면 플라스몬 공명이 발생된 상태를 도시한 도면이다.

도 5 내지 도 8은 나노구조 단면이 각각 직사각형, 삼각형, 사각형, 원형을 갖는 경우를 도시한 것으로서, 여기서 나노구조는 나노홀, 나노기둥 중 어느 하나일 수 있다.

도 5와 같이, 나노구조가 직사각형 단면을 가지는 경우, 도 5 에 도시된 바와 같이, 제1 입사 방향(L1)을 갖는 입사광에 의해 복수의 나노구조 각각의 좌측(500)에 국소 표면 플라스몬 공명이 발생되며, 제2 입사 방향(L2)을 갖는 입사광에 의해 우측(502)에 국소 표면 플라스몬 공명이 발생될 수 있다.

또한, 도 6과 같이 나노구조가 삼각형 단면을 가지는 경우, 서로 다른 세 개의 입사 방향을 갖는 입사광이 이용될 수 있으며, 이때 제1 입사 방향(L1)을 갖는 입사광에 의해 삼각형의 제1 국소 영역(600)에 표면 플라스몬 공명을, 제2 입사 방향(L2)을 갖는 입사광에 의해 삼각형의 제2 국소 영역(602) 그리고, 제3 입사 방향(L3)을 갖는 입사광에 의해 삼각형의 제3 국소 영역(604)에 표면 플라스몬 공명을 발생시킬 수 있다.

여기서, 제1 내지 제3 입사 방향을 갖는 입사광은 입사광 변경부(104)에 의해 소정의 시간차를 가지면서 금속 나노구조층(100)에 입사될 수 있으며, 이를 통해 서로 다른 국소 영역에 위치한 형광체를 선택적으로 여기시킬 수 있다.

도 7과 같이 나노구조가 정사각형 단면(또는 다이아몬드형 단면)을 가지는 경우에는 입사 방향이 상이한 4개의 입사광이 이용될 수 있으며, 이를 통해 제1 내지 제4 국소 영역(700 내지 706)에서 선택적으로 형광체를 여기시킬 수 있다.

도 8과 같이, 나노구조가 원형 단면을 가지는 경우에도 입사 방향이 상이한 4개의 입사광이 이용될 수 있다. 그러나 도 8과 같이 원형 단면을 가지는 경우에는 국소 영역을 더욱 세분화하여 표면 플라스몬 공명을 발생시킬 수 있으며, 이를 위해 4개 이상의 입사 방향이 다른 입사광이 이용될 수도 있을 것이다.

상기한 도 2에서는 형광 영상 장치에 입사 방향을 다른 2개의 입사광을 제공하기 위한 구조를 가지는 것으로 설명하였으나, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 더 많은 수의 입사 방향이 다른 입사광을 제공하기 위한 구조가 제공될 수 있다.

도 9는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 입사광 변경부를 도시한 도면이다.

도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 입사광 변경부는 리니어 스테이지(Linear Stage, 900) 및 비구면 렌즈(Aspheric lens, 902)를 포함할 수 있다.

리니어 스테이지(900)는 선형적으로 위치가 변경되며, 서로 다른 위치에서 광원부(100)에서 출사된 입사광을 비구면 렌즈(902)측으로 반사한다.

상기한 바와 같이, 리니어 스테이지(900)의 위치는 소정 시간 차를 두고 변경될 수 있다.

도 9에서는 설명의 편의 상 리니어 스테이지(900)가 상부에서 하부 방향으로 3단계로 순차적으로 변경되는 것으로 가정한다.

비구면 렌즈(902)는 리니어 스테이지(900)에서 반사된 입사광을 금속 나노구조층의 하부에 배치된 프리즘(420)으로 입사한다. 도 9에서 프리즘(420)은 반구체 프리즘(Hemisphere Prism)일 수 있다.

제1 위치에 있는 리니어 스테이지(900)에서 반사된 입사광은 비구면 렌즈(902)를 통해 제1 입사 방향을 가지면서 반구체 프리즘(420)으로 입사되며, 제2 위치에 있는 리니어 스테이지(900)에서 반사된 입사광은 비구면 렌즈(902)를 통해 제2 입사 방향을 가지며, 제3 위치에 있는 리니어 스테이지(900)에서 반사된 입사광은 비구면 렌즈(902)를 통해 제3 입사 방향을 가지면서 반구체 프리즘(420)으로 입사된다.

도 9에 도시된 바와 같이, 리니어 스테이지(900)가 제1 내지 제3 위치 중 어디에 위치하더라도 비구면 렌즈(902)를 통과한 입사광은 입사 방향만 다를 뿐 반구체 프리즘(420)의 동일한 부분에 입사된다.

만일, 금속 나노구조층(100) 상에 형성된 나노구조가 원형 단면을 가지는 경우, 리니어 스테이지(900) 및 비구면 렌즈(902)를 이용하여 나노구조의 서로 다른 국소 영역에 표면 플라스몬 공명이 발생되도록 할 수 있다.

본 발명에서, 입사 방향이 상이한 입사광의 수를 채널(Channel)이라 정의할 수 있으며, 형광 영상 장치가 도 2와 같은 구조를 갖는 경우에는 입사광 변경부(104)가 입사 방향이 다른 2 개의 입사광을 제공하기 때문에 채널 수가 2로 정의될 수 있다.

한편, 리니어 스테이지(900) 및 비구면 렌즈(902)를 이용하는 경우, 채널 수를 k개(바람직하게, 2≤k≤32)까지 확장하는 것도 가능하다. 채널 수가 k로 정의되는 경우, 도 10에 도시된 바와 같이, 프리즘(420)을 기준으로 리니어 스테이지(900)가 좌우측에서 각각 k/2만큼 위치가 변경될 수 있다.

예를 들어, 채널 수가 32로 정의되는 경우, 좌우측에 각각 대향 배치된 리니어 스테이지(900)는 16 단계로 위치가 변경될 수 있으며, 이를 통해 총 32개의 입사 방향이 다른 입사광을 금속 나노구조층(100)에 제공할 수 있다. 이를 통해 단일 나노구조에 총 32개의 국소 영역에서 표면 플라스몬 공명을 발생시킬 수 있다.

상기에서는 입사 방향이 다른 입사광을 시간차를 두고 제공하여 국소 표면 플라스몬 공명을 발생시키는 것을 설명하였으나, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 입사각 또는 파장이 서로 다른 입사광을 제공하여 분해능을 향상시킬 수도 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 금속의 종류에 따라 공명각이 달라지는 점을 고려하여 금속 나노구조층(100)을 서로 다른 공명각을 갖는 복수의 금속으로 구성한다.

이를 위해, 입사광 변경부(104)는 복수의 금속 각각의 공명각에 상응하는 입사각을 갖는 입사광을 금속 나노구조층(100)에 입사한다.

본 실시예에 따른 금속 나노구조층(100)은 서로 다른 공명각을 갖는 금속들로 이루어질 수 있다.

상기한 바와 같이, 각 금속의 공명각은 서로 다르며, 본 실시예에 따른 입사광 변경부(104)는 광원부(102)에서 출사된 입사광의 입사각을 각 금속의 공명각에 상응하게 변경하여 금속 나노구조층(100)으로 제공할 수 있다.

예를 들어, 금속 나노구조층(100)이 제1 금속 및 제2 금속으로 이루어진 경우, 제1 시간에 금속 나노구조층(100)에는 제1 금속의 공명각에 해당하는 제1 입사각(θ₁)을 갖는 입사광이 제공될 수 있으며, 이러한 경우 제1 금속에 위치한 형광체만이 선택적으로 여기된다.

또한, 제2 시간에 금속 나노구조층(100)에는 제2 금속의 공명각에 해당하는 제2 입사각(θ₂)을 갖는 입사광이 제공될 수 있으며, 이러한 경우 제2 금속에 위치한 형광체만이 선택적으로 여기된다.

상기와 같이, 입사광 변경부(104)를 통해 입사각이 다른 입사광을 시간차를 두고 제공함으로써 형광 영상 검출부(106) 자체의 분해능보다 향상된 분해능으로 영상을 검출할 수 있다.

입사각의 변경은 금속 나노구조층(100)으로 입사광을 입사하는 미러 또는 리니어 스테이지의 각도를 조절하는 방식으로 이루어질 수 있다.

한편, 금속 나노구조층(100)을 서로 다른 금속으로 구성하는 경우, 파장이 다른 입사광을 금속 나노구조층(100)에 시간차를 두고 입사함으로써 서로 다른 국소 영역에 선택적으로 표면 플라스몬 공명을 발생시킬 수 있다.

이때, 입사광 변경부(104)는 광원부(100)에 제어 신호를 인가하여 파장이 다른 입사광이 시간차를 두고 출사되도록 제어할 수 있으며 또는 광원부(100)에서 출사된 입사광의 파장을 소정 방식으로 변경할 수도 있다.

한편, 입사광 변경부(104)가 별도로 구비되지 않고, 광원부(100)에 연결된 제어부에서 입사광의 파장을 변경할 수도 있을 것이다.

입사광의 파장 변경은 이미 당업자에게 공지된 사항이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

본 발명에서와 같이, 국소 표면 플라스몬 공명을 발생시키기 위한 금속 나노구조층(100) 및 입사광의 특성을 변경하는 경우, 도 11에 도시된 바와 같이, 스크리닝(screening)에 활용할 수 있다.

도 11을 참조하면, 금속 나노구조층(100)의 소정 구획(1100)에 소정의 나노구조를 형성하고 형성된 나노구조에서 선택적으로 국소 표면 플라스몬 공명이 발생되도록 입사광을 제공하는 경우, 구획(1100)이 일종의 울타리로 정의될 수 있다.

여기서, 구획(1100)의 경계선 상에 있는 형광체만이 선택적으로 여기되기 때문에 구획(1100)을 지나는 형광체만을 선택적으로 측정할 수 있다.

본 발명의 실시예의 형광 영상 장치는 분자 생물학적인 관점과 의학적 관점에서 암세포 등의 질병 원인 분석과 치료를 위한 수십 나노 크기의 단백질의 움직임을 효과적으로 관찰할 수 있으며 기존에는 분석하기 힘들었던 매우 작은 크기(예를 들어, 100 나노미터 이내)의 생체 내 바이러스 등 생체 물질의 분포 및 이동 경로의 연구 등을 효과적으로 진행할 수 있다.

상기한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대해 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

Claims

복수의 나노구조를 구비하는 금속 나노구조층;
상기 복수의 나노구조의 국소 영역에서 표면 플라스몬 공명을 발생시키기 위한 입사광을 제공하는 광원부;
상기 입사광의 특성을 변경하는 입사광 변경부; 및
상기 표면 플라스몬 공명에 의해 상기 국소 영역에 위치한 시료에서 발생하는 형광 신호를 추출하고 영상화하는 형광 영상 검출부를 포함하는 형광 영상 장치.
제1항에 있어서,
상기 입사광의 특성은 상기 입사광의 입사방향, 입사각 및 파장 중 적어도 하나를 포함하는 형광 영상 장치.
제1항에 있어서,
상기 입사광 변경부는 미리 설정된 시간 간격으로 서로 다른 특성을 갖는 입사광이 상기 금속 나노구조층에 입사되도록 하는 형광 영상 장치.
제1항에 있어서,
상기 입사광 변경부는,
상기 광원부에서 출사된 입사광을 반사하는 제1 미러;
회전을 통해 상기 제1 미러에서 반사되는 입사광을 제1 방향 또는 제2 방향으로 반사하는 회전 미러;
상기 제1 방향에 위치하며 상기 회전 미러에서 반사된 입사광을 상기 금속 나노구조층으로 반사하는 제2 미러; 및
상기 제2 방향에 위치하며 상기 회전 미러에서 반사된 입사광을 상기 금속 나노구조층으로 반사하는 제3 미러를 포함하는 형광 영상 장치.
제1항에 있어서,
상기 입사광 변경부는,
위치가 변경되어 상기 광원부에서 출사된 입사광을 반사하는 리니어 스테이지; 및
상기 리니어 스테이지에서 반사된 입사광을 상기 금속 나노구조층으로 입사하는 비구면 렌즈를 포함하되,
상기 비구면 렌즈는 상기 리니어 스테이지의 위치에 따라 서로 다른 입사 방향을 갖는 입사광을 상기 금속 나노구조층으로 입사하는 형광 영상 장치.
제5항에 있어서,
상기 리니어 스테이지는 대향 배치되는 제1 리니어 스테이지 및 제2 리니어 스테이지를 포함하는 형광 영상 장치.
제6항에 있어서,
상기 금속 나노구조층의 하부에 배치되는 반구체 프리즘을 더 포함하며,
상기 비구면 렌즈는 서로 다른 특성을 갖는 입사광을 시간차를 두고 상기 반구체 프리즘으로 입사하는 형광 영상 장치.
제1항에 있어서,
상기 복수의 나노구조는 서로 다른 공명각을 갖는 복수의 금속으로 이루어지며,
상기 입사광 변경부는 상기 복수의 금속 각각의 공명각에 상응하는 입사각을 갖는 복수의 입사광이 상기 금속 나노구조층에 입사되도록 하는 형광 영상 장치.
제1항에 있어서,
상기 복수의 나노구조는 불규칙하게 배열된 나노섬, 나노기둥 또는 나노홀 중 적어도 하나를 포함하는 형광 영상 장치.
제1항에 있어서,
상기 복수의 나노구조는 일정한 주기를 갖고 규칙적으로 배열된 나노섬, 나노기둥 또는 나노홀 중 적어도 하나를 포함하는 형광 영상 장치.
제9항 또는 제10항에 있어서,
상기 나노섬, 나노기둥 또는 나노홀의 단면은 원형 또는 n각형-여기서, n은 3이상 자연수-으로 이루어지는 형광 영상 장치.
제1항에 있어서,
상기 복수의 나노구조는 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt) 및 알루미늄(Al) 중 적어도 하나 또는 이들의 조합으로 이루어지는 형광 영상 장치.
제1항에 있어서,
프리즘; 및
상기 프리즘의 상부에 배치되는 투명 기판을 더 포함하되,
상기 투명 기판의 상부에는 상기 금속 나노구조층이 배치되는 형광 영상 장치.
복수의 나노구조를 구비하는 금속 나노구조층;
상기 복수의 나노구조의 국소 영역에서 표면 플라스몬 공명을 발생시키기 위한 입사광을 제공하는 광원부; 및
상기 표면 플라스몬 공명에 의해 상기 국소 영역에 위치한 시료에서 발생하는 형광 신호를 추출하고 영상화하는 형광 영상 검출부를 포함하되,
상기 금속 나노구조층에서는 시간차를 두고 특성이 다른 입사광이 제공되는 형광 영상 장치.
시료의 여기에 의해 발생된 형광 신호를 검출하는 방법으로서,
제1 시간에 제1 특성을 갖는 입사광을 입사하여 금속 나노구조층의 제1 국소 영역에 표면 플라스몬 공명을 발생시키는 단계;
상기 제1 국소 영역에 위치한 시료의 형광 신호를 검출하는 단계;
제2 시간에 제2 특성을 갖는 입사광을 입사하여 상기 금속 나노구조층의 제2 국소 영역에 표면 플라스몬 공명을 발생시키는 단계; 및
상기 제2 국소 영역에 위치한 시료의 형광 신호를 검출하는 단계를 포함하는 형광 영상 방법.
제15항에 있어서,
상기 제1 특성 및 제2 특성은 입사 방향, 입사각 및 파장 중 적어도 하나가 상이한 형광 영상 방법.