KR20120025257A

KR20120025257A - 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템

Info

Publication number: KR20120025257A
Application number: KR1020100087544A
Authority: KR
Inventors: 나관구; 김용규; 전부일; 박현규; 정봉현; 신용범
Original assignee: (주)미코바이오메드; 한국생명공학연구원; 주식회사 코미코
Priority date: 2010-09-07
Filing date: 2010-09-07
Publication date: 2012-03-15

Abstract

본 발명은 표면 플라즈몬 공명(Surface Plasmon Resonance, SPR) 센서 시스템에 관한 것으로서, 제1 광을 발생하는 광원부, 상기 제1 광을 편광시키는 편광부, 상기 편광된 제1 광을 반사시켜 디스크 형태의 제2 광으로 발산시키는 회전거울, 상기 회전거울에 인접하게 배치되어 상기 제2 광의 일부를 통과시키는 차폐막, 상기 차폐막을 통과한 제2 광의 일부를 집속하는 복수 개의 실린더 렌즈들, 상기 집속된 제2 광을 제3 광으로 반사하는 센서칩, 및 상기 제3 광을 감지하는 수광부를 포함한다. 상기 회전거울은 평판형상으로 형성되고 중심축을 기준으로 회전하며, 평판형상의 기판 및 상기 기판의 적어도 일면에 증착된 금속층들을 포함한다. 상기 센서칩은 프리즘 및 상기 프리즘의 일면에 형성되는 금속박막을 포함한다.

Description

표면 플라즈몬 공명 센서 시스템{SURFACE PLASMON RESONANCE SENSOR SYSTEM}

본 발명은 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 회전 거울이 장착된 표면 플라즈몬 공명(Surface Plasmon Resonance, SPR) 센서 시스템에 관한 것이다.

표면 플라즈몬(Surface Plasmon)이란 도체 표면, 이를테면 금속 박막의 표면을 따라 전파하는 자유전자의 양자화된 진동이다. 이와 같은 표면 플라즈몬은, 프리즘과 같은 유전체(Dielectric medium)를 지나 프리즘의 임계각 이상의 각도로 금속 박막에 입사하는 입사광에 의해 여기되어 공명을 일으키는데, 이를 표면 플라즈몬 공명이라 한다. SPR이 일어나는 입사광의 입사각, 즉 공명각은 금속 박막에 근접한 물질의 굴절률 변화에 매우 민감하다. SPR 센서는 이러한 성질을 이용하여 금속 박막에 근접한 물질 즉, 시료의 굴절률 변화로부터 시료의 정량 분석 및 정성 분석과, 박막인 시료의 두께를 측정하는 데에 이용된다.

기존의 SPR 바이오센서는, 광의 파수 벡터(wave vector) 혹은 운동량을 증가시켜 표면 플라즈몬을 여기시키기 위하여, 입사광을 고 굴절률을 갖는 투명 유전체인 프리즘을 지나 금속 박막에서 반사시키는 이른바 Kretschmann-Raether 구성을 따르고 있다. 이때, SPR 바이오센서는 광원으로부터 발생된 단파장의 입사광을 편광기를 통해 편광시켜 프리즘으로 입사시키는데 있어서, 구동부를 통해 상기 광원을 움직여 입사 각도를 변화시킴으로써, 금속 박막 위에 존재하는 유전물질에 따른 유효 굴절률 혹은 유효 두께의 변화를 SPR 각도의 변화로 측정한다.

상기의 SPR 센서 시스템에서는 광원으로 레이저 또는 포토다이오드와 같은 점수광부(point detector)를 사용하되, 상기 광원을 조절하기 위해 진동거울을 사용하거나 또는 회전거울을 이용하는 방식이 공개되어 있다. 특히, 상기 회전거울을 이용하는 방식의 경우, 본 공동출원인의 등록 특허인 한국등록특허 제10-0876608호에서 그 기술을 잘 설명하고 있다. 상기 회전거울을 이용하는 방식에서는 반사된 광원의 간섭현상이 최소화되고, 상기 반사된 레이저의 광세기의 균일도가 향상된다.

도 1은 종래의 SPR 센서 시스템의 회전거울을 개략적으로 도시한 사시도이다. 도 2a는 도 1의 회전거울에서 광이 굴절되는 모습을 나타내기 위한 모식도이다. 도 2b는 도 1의 회전거울에서 광이 굴절되는 다른 모습을 나타내기 위한 모식도이다.

도 1을 참조하면, 상기 회전거울(900)의 구성에 있어서, 한 개의 프리즘(910) 평면에 금속코팅(930)을 한 후, 두 개의 프리즘(910, 920)을 서로 맞대어 접착하여 제조된다. 상기 두 개의 반원통형 프리즘을 접착시키기 위해서는 액체상태의 UV 에폭시 등의 접착제를 사용한다.

도 2a를 참조하면, 상기 회전거울에 입사된 광은 상기 프리즘상의 금속코팅에 반사되는 과정에서 상기 접착제(940)를 통과하기 때문에, 상기 프리즘 및 접착제의 굴절률의 차이로 인해서 미세한 굴절 및 반사가 일어나게 되어, 표면 플라즈몬 공명 현상이 발생하는 금속 박막의 정확한 위치상에 상기 광원을 조사하기가 어렵다. 이로 인해, 테스트 시료 측정결과의 정확도가 떨어진다는 문제점이 발생한다.

도 2b를 참조하면, 상기 회전거울의 제조 시 두 개의 프리즘을 접착제(940)를 이용하여 접착하는 과정에서, 접착제가 고르게 분포되지 못하거나 또는 국부적인 경화의 차이에 의해서, 상기 두 개의 프리즘의 단면이 서로 평행을 이루며 결합되지 못하는 경우가 발생한다. 따라서 상기 회전거울의 반사면이 바닥면으로부터 수직을 이루지 못하게 되고, 마찬가지로 표면 플라즈몬 공명 현상이 발생하는 금속 박막의 정확한 위치상에 상기 광원을 조사하기가 어려운 문제가 있다.

또한 종래의 회전거울을 이용한 방식에 있어서는, 상기 회전거울이 회전하면서 상기 회전거울에 입사된 광은 원형의 형태, 즉 디스크 형상의 광으로 반사하게 된다. 이 경우에, 상기와 같이 퍼지는 광에 의해서 인접한 수광부에 수광되는 광과의 간섭현상이 일어나게 되고, 따라서 상기 수광부가 표면 플라즈몬 공명 흡수로 인한 파장의 변화를 정확히 측정하기 어려운 문제점이 있었다.

이에 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로, 본 발명의 목적은 평판형의 회전 거울이 장착된 표면 플라즈몬 공명(Surface Plasmon Resonance, SPR) 센서 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 거리 조절이 가능한 테스트 시료 제공부를 포함하는 SPR 센서 시스템을 제공하는 것이다.

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명(Surface Plasmon Resonance, SPR) 센서 시스템은 제1 광을 발생하는 광원부, 상기 제1 광을 편광시키는 편광부, 상기 편광된 제1 광을 반사시켜 디스크 형태의 제2 광으로 발산시키는 회전거울, 상기 회전거울에 인접하게 배치되어 상기 제2 광의 일부를 통과시키는 차폐막, 상기 차폐막을 통과한 제2 광의 일부를 집속하는 복수 개의 실린더 렌즈들, 상기 집속된 제2 광을 제3 광으로 반사하는 센서칩, 및 상기 제3 광을 감지하는 수광부를 포함한다. 상기 회전거울은 평판형상으로 형성되고 중심축을 기준으로 회전하며, 평판형상의 기판 및 상기 기판의 적어도 일면에 증착된 금속층들을 포함한다. 상기 센서칩은 프리즘 및 상기 프리즘의 일면에 형성되는 금속박막을 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 회전거울의 두께는 0.5mm~2mm일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 회전거울은 상기 회전거울의 중심축과 동일한 축으로 회전하는 회전판에 고정되고, 상기 회전판의 상부면에는 상기 회전판의 중심축을 지나는 홈이 형성되며, 상기 회전거울은 상기 홈에 장착될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 회전판은 원기둥 또는 다각형 기둥 형상일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 회전판의 상부면에 형성된 홈은 상기 회전판의 중심축을 교차하는 십자형상을 가질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 회전거울의 크기는 가로 및 세로가 각각 5mm~20mm이고, 상기 회전판의 지름은 8mm~23mm일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 광원부는 가스레이저(gas laser) 또는 레이저 다이오드(laser diode)일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 광원부로부터 발생하는 제1 광의 단면은 점(dot) 또는 선(line) 형태일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 편광부는 상기 제1 광을 TM 모드(Transverse Magnetic mode)로 변화시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 회전거울의 회전 속도는 1500rpm~10000rpm일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 실린더 렌즈들은 각각 반원통 형태를 가지는 두 개의 실린더 렌즈들이며, 상기 렌즈의 볼록부들이 서로 마주보도록 배치될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 수광부는 이미지 디텍터(detector)용 수광부일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 센서칩에 밀착되고 테스트용 시료가 제공되는 시료 제공부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 시료 제공부는 상기 시료가 지나는 관통로가 형성된 본체부, 탄성 재질을 가지며 상기 본체부에서 상기 센서칩을 마주하는 일면에 형성되어 상기 센서칩에 밀착되는 패드부 및 상기 본체부에서 상기 패드부가 형성된 면과 반대되는 면에 형성되는 조절부를 포함할 수 있다. 상기 조절부는 상기 패드부를 상기 센서칩에 밀착 또는 이격시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 패드부에는 서로 평행한 복수개의 관통홀들이 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템은 평판형의 회전거울을 이용함으로써, 입사광원이 회전거울에서 반사될 때 굴절률의 변화에 의한 입사각 및 반사각의 변화를 방지하여 정밀한 측정시스템을 제공할 수 있다. 또한 테스트 시료 제공부에 거리 조절이 가능한 조절부를 추가함으로써, 편리하게 시료 제공부를 센서칩에 밀착시킬 수 있고, 상기 센서칩의 장착 및 탈착을 용이하게 할 수 있다.

도 1은 종래의 표면 플라즈몬 공명(Surface Plasmon Resonance: SPR) 센서 시스템의 회전거울을 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 2a는 도 1의 회전거울에서 광이 굴절되는 모습을 나타내기 위한 모식도이다.
도 2b는 도 1의 회전거울에서 광이 굴절되는 다른 모습을 나타내기 위한 모식도이다.
도 3은 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명 시스템을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 4는 도 3의 표면 플라즈몬 공명 시스템의 회전거울을 나타낸 사시도이다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 3의 표면 플라즈몬 공명 시스템의 회전판을 나타낸 사시도이다.
도 5b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명 시스템의 회전판을 나타낸 사시도이다.
도 5c는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈몬 공명 시스템의 회전판을 나타낸 사시도이다.
도 6a는 도 3의 표면 플라즈몬 공명 시스템의 시료 제공부를 나타낸 모식도이다.
도 6b는 도 6a의 시료 제공부를 나타낸 정면 모식도이다.
도 7은 도 6a의 시료 제공부의 패드를 나타낸 사시도이다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 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. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

도 3은 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명 시스템(Surface Plasmon Resonance, SPR)을 개략적으로 나타낸 모식도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 SPR 센서 시스템은 광원부(100), 회전거울(200), 차폐막(300), 실린더 렌즈(400), 센서칩(500), 수광부(600) 및 시료 제공부(700)를 포함한다.

상기 광원부(100)는 상기 회전거울(200)로 입사되는 제1 광(120)을 발생시킨다. 상기 광원부(100)에서 발생되는 제1 광(120)으로는 예를 들어, 레이저다이오드, 가스레이저 등과 같은 레이저를 사용할 수 있다. 상기 광원부(100)에서 발진되는 레이저의 단면 형태는 점(dot) 또는 선(line) 형태인 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 센서칩(500)에서 발생되는 표면 플라즈몬 공명 현상에 최적화되도록 400~900nm의 파장을 갖는 레이저를 사용하는 것이 바람직한데, 레이저의 파장이 400nm 미만일 경우, 표면 플라즈몬 공명현상이 잘 안일어나고, 900nm 초과할 경우, 수광부(600)의 이미지 획득이 어려워 시료를 분석하는데 문제가 있기 때문이다.

상기 광원부(100)는 편광부(110)를 더 포함할 수 있다. 상기 센서칩(500)에서 발생하는 표면 플라즈몬은 상기 제1 광 성분 중 입사면과 평행한 성분, 즉 TM 편광(Transverse Magnetic polarized light)성분으로만 여기 되므로, 상기 광원부(100)에서 발진되는 레이저를 TM편광으로 변환시키는 편광부(110)를 사용하여 TM 모드(Transverse Magnetic mode)로 변화시키는 것이 바람직하다.

도 4는 도 3의 표면 플라즈몬 공명 시스템의 회전거울을 나타낸 사시도이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 회전거울(200)은 상기 광원부(100)에서 발진된 제1 광을 반사시켜 상기 센서칩(500)으로 조사되도록 한다. 상기 회전거울(200)은 일정속도로 회전하여 상기 제1 광을 원형의 형태로 반사시킨다. 즉, 상기 제1 광을 디스크 형태의 제2 광(240)으로 생성하는 것을 특징으로 한다. 상기 광원부(100)에서 발진된 제1 광이 상기 회전거울(200)에 반사되어 상기 디스크 형태의 제2 광(240)으로 생성되기 위해서는 초당 24프레임(frame), 즉, 약 1500rpm 이상의 속도로 회전하는 것이 바람직하나, 10000rpm을 초과하게 되면 회전속도에 의해 발생하는 진동과 같은 불안정성이 야기된다는 문제점이 있으므로, 상기 회전거울(200)의 회전 속도는 1500rpm~10000rpm인 것이 바람직하다.

상기 회전거울(200)은 사각형의 평판 형상을 가진다. 상기 회전거울은 상기 회전거울의 몸체를 구성하는 얇은 사각형의 글라스 판(210) 양면에 금속(220)을 증착하여 형성한다. 상기 금속은 상기 글라스 판에 전체적으로 그 두께가 균일하게 되도록 증착된다. 상기 글라스 판(210) 양면에 금속을 증착시킴으로써 상기 광원부에서 발진된 광을 모든 각도에서 반사시킬 수 있다. 상기 증착된 금속(220)으로는 일반적인 거울에 사용되는 은, 알루미늄, 크롬, 니켈 등을 사용할 수 있다. 본 실시예에서는 상기 글라스 판(210) 양면에 금속을 증착시켜 상기 회전거울을 형성하였으나, 이와 다르게 상기 글라스 판(210) 일면에만 금속을 증착시켜 상기 회전거울을 형성할 수도 있다. 상기 글라스 판의 일면에만 금속을 증착시키는 경우에는 금속이 증착된 상기 글라스 판의 일면에서만 광의 반사가 일어나므로, 이에 따라 상기 회전거울의 회전 속도도 변경되어야 한다. 즉, 상기 글라스 판의 일면에만 금속이 증착된 회전거울의 회전 속도는 상기 글라스 판의 양면에 금속을 증착시킨 경우보다 약 두 배가 되도록 조정한다.

상기 글라스 판에 증착되는 금속층은 전체적으로 그 두께가 균일하여, 상기 금속층으로 이루어진 반사면은 상기 글라스판의 일면과 실질적으로 평행을 이루게 된다. 따라서 상기 광원부에서 발진된 광을 모든 각도에서 균일하게 반사할 수 있으며, 이로써 상기 센서칩으로의 안정된 광의 조사가 가능하게 된다.

다시 도 1 내지 도 2b를 참조하면, 종래의 회전거울의 제조 시에는, 두 개의 반원통형 프리즘 중 한 개의 프리즘 평면에 금속코팅을 한 후, 두 개의 프리즘을 서로 맞대어 접착하여 제조하였다. 상기 접착제로는 액체 상태의 UV 에폭시 등을 사용하였는데, 상기 회전거울로 조사된 광은 상기 접착제를 투과하여 반사되는 구조였다. 그러나 상기 접착제의 굴절률이 공기 또는 기타 재료들의 굴절률과 상이하기 때문에, 상기 회전거울에서 광이 반사하는 과정에서 광의 굴절이 일어나게 된다. 이러한 광의 굴절로 인해 상기 센서칩으로 안정된 광의 조사가 어렵고, 따라서 수광부에서 표면 플라즈몬 공명각의 정확한 측정이 불안정해질 수 있다. 또한 상기 접착제가 불균등하게 도포되는 경우, 상기 광이 반사되는 반사면이 상기 프리즘의 평면과 완전한 평행을 이루지 못하는 결과가 발생할 수 있다.

그러나 본 실시예에 따른 회전거울(200)은 별도의 접착제를 사용하지 아니하고, 얇은 글라스 판(210)의 양면에 금속(220)을 증착하여 제조하기 때문에, 입사광 또는 반사광의 굴절현상이 없어 상기 입사광의 정확한 조절이 가능하다. 또한 상기 접착제의 불균등한 도포에 의한 반사면의 기울어짐의 현상을 방지할 수 있다.

상기 회전거울(200)은 상기 제1 광, 예를 들어 레이저 빔을 완전 반사할 수 있는 재료를 이용하여 제조될 수 있다. 상기 회전거울(200)의 크기는 상기 레이저 빔을 받을 정도의 크기로서, 가로 5mm~20mm 및 세로 5mm~20mm 범위가 바람직하다. 상기 회전거울(200)의 두께는 회전시의 불안정성을 최소화하고 상기 회전판(230)상에 안정적으로 장착되며 또한 광의 효율적인 반사를 위해서, 약 0.5mm~2mm 범위가 바람직하다.

도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 3의 표면 플라즈몬 공명 시스템의 회전판을 나타낸 사시도이다.

도 3 내지 도 5a를 참조하면, 상기 회전거울(200)은 회전판(230) 상부에 장착된다. 상기 회전판(230)은 원기둥 형태로 형성되어 상기 회전판 하부에 구비되는 모터(미도시)와 연결되며, 상기 모터의 회전축과 상기 회전판(230)의 회전축이 일치하도록 배치된다. 상기 회전거울(200)은 얇은 판의 형상을 가지므로, 상기 회전거울의 회전축을 상기 모터의 회전축과 일치시키기가 어렵고, 상기 회전거울의 회전 시에 다소 불안정할 수 있는바, 상기 별도로 형성된 회전판(230) 상에 배치시킴으로서 보다 안정적으로 회전시킬 수 있다. 상기 회전거울(200)과 상기 회전판(230)은 각각의 회전축을 일치시켜 UV에폭시와 같은 접착제로 연결하거나, 또는 상기 회전판의 상부면에 상기 회전판의 중심을 지나는 홈을 형성하여 상기 회전거울을 끼움으로써 연결할 수도 있다. 따라서 상기 모터의 동력을 이용하여 상기 회전판과 결합된 상기 평판형 회전거울(200)을 원하는 속도로 회전시킬 수 있다.

상기 회전판(230)의 지름은 상기 회전거울을 안정되게 고정할 수 있도록, 상기 회전거울의 가로 길이보다 크게 형성된다. 상기 회전거울의 크기에 따라서 적절히 변형될 수 있으며, 일반적으로 8mm~23mm 범위가 바람직하다.

도 5b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명 시스템의 회전판을 나타낸 사시도이다. 상기 회전판(250)은 상기 회전판의 상부면에 상기 회전판의 중심을 지나면서 교차하는 십자형의 홈이 형성된다는 것을 제외하고는 도 5a를 참조하여 설명한 회전판과 실질적으로 동일한 바, 중복되는 설명은 이를 생략한다.

도 5b를 참조하면, 상기 회전판(250)의 상부면에는 상기 회전판의 중심을 지나는 두 개의 홈들이 십자형태로 교차하여 형성된다. 상기 홈의 두께는 상기 회전거울의 두께에 대응하도록 형성되고, 상기 회전거울은 상기 두 개의 홈들 중 하나에 장착된다. 상기 회전판은 상부면에 서로 교차하는 두 개의 홈들을 형성함으로써, 상기 회전판의 회전축의 위치를 보다 정확하게 판단할 수 있고, 상기 회전거울의 회전축을 상기 모터의 회전축과 보다 정확하고 용이하게 일치시킬 수 있다. 본 실시예에서는 상기 회전판의 상부면에 서로 십자형태로 교차하는 두 개의 홈들을 형성하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 홈의 형상이 십자형태가 아니어도, 상기 회전판의 상부면에 상기 회전판의 중심을 교차하는 복수 개의 홈들을 형성하여 상기 회전거울을 장착할 수도 있다.

도 5c는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명 시스템을 나타낸 사시도이다. 상기 회전판(260)이 다각형 기둥의 형태로 형성된다는 것을 제외하고는 도 5a를 참조하여 설명한 회전판과 실질적으로 동일한 바, 중복되는 설명은 이를 생략한다.

도 5c를 참조하면, 상기 회전판(260)은 다각형 기둥의 형태를 가질 수 있다. 예를 들면, 상기 회전판은 육각기둥의 형태를 가질 수 있다. 상기 회전판의 형태는 상기 SPR 센서 시스템의 배치 구조에 따라 적절히 변경될 수 있으며, 이로써 상기 회전거울의 회전을 보다 안정적으로 하거나, 또는 상기 SPR 센서 시스템의 여러 구성요소들을 보다 효율적으로 배치할 수 있다.

다시 도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 광원부(100)에서 발진되는 직진성의 실선형태인 제1 광을 1500rpm~10000rpm의 속도로 회전하는 상기 회전거울(200)의 중심에 반사시킨 후 그 반사광을 육안 또는 일반적인 저가의 상보적 금속산화물 반도체(Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS), 전하결합소자(Charge Coupled Device, CCD) 등으로 관찰하면, 평균적으로 상기 회전거울면의 반사지점을 중심으로 하여 발산되는 디스크 형태의 제2 광(240)이 생성된다.

상기 차폐막(300)은 상기 회전거울(200)과 상기 실린더 렌즈(400) 사이에 배치된다. 상기 차폐막(300)은 회전거울(200)에서 반사된 상기 디스크 형태의 제2 광(240)의 일부 즉, 파이조각 형태의 레이저 빔(310)만을 통과시킬 수 있는 슬릿(slit) 형태이고, 상기 회전거울(200)의 중심으로부터 적당한 거리에 위치하는 것이 바람직한데, 이때, 상기 차폐막(300)은 회전거울(200) 중심축에 가까울수록 센서 전체의 크기가 작아진다는 장점이 있다. 또한, 상기 차폐막(300)의 슬릿간격은 파이조각 형태의 레이저 빔의 사이각이 약 10˚ 내외가 되도록, 즉, 상기 센서칩(500)의 한 지점에 집속된 광살의 입사각인 θb-θa가 10˚ 이하가 되도록 설치하는 것이 바람직한데, 이는 대부분의 시료가 상기 θb-θa가 10˚ 이내일 경우 검출 가능하고, 또한, θb-θa가 10˚를 초과하게 되면 해상도가 떨어지는 문제가 있기 때문이다.

상기 차폐막(300)의 측면에는 방지블록(320)이 배치될 수 있다. 상기 방지블록은 광의 투과를 방지하는 역할을 수행한다. 상기 회전거울(200)에서 반사된 상기 디스크 형태의 제2 광(240)은 상기 SPR 센서 시스템 내부 전체로 퍼지게 된다. 상기 제2 광의 일부는 상기 차폐막(300)을 통과하여 상기 파이조각 형태의 광(310)으로 변형되지만, 나머지 광은 상기 SPR 센서 시스템 내부에 전반적으로 퍼지게 되어, 난반사 및 다른 광들과의 간섭을 일으키게 된다. 특히 이후에 상세히 설명할 수광부(600)는 상기 센서칩(500)에서 반사되는 제3 광(610)을 감지하여 SPR에 의한 파장의 변화를 측정하게 되는데, 상기 회전거울로부터 퍼지는 제2 광(240)과 상기 제3 광(610)과의 사이에서 간섭현상이 발생할 수 있다. 특히 본 실시예에 따른 SPR 센서 시스템은 그 제한된 크기 내에서 각 구성요소들이 서로 인접하게 배치되기 때문에, 상기 간섭현상의 발생 가능성이 더 커진다. 이러한 간섭현상에 의해서 상기 수광부에서 상기 SPR에 의한 파장의 변화를 정밀하게 측정하기 어려운 문제가 발생한다. 따라서 상기 방지블록(320)은 상기 회전거울과 상기 수광부(600) 사이에 적절히 배치되어, 상기 수광부(600)에 수광되는 제3 광이 다른 광들에 의해서 간섭되는 현상을 방지할 수 있고, 이로써 테스트 시료 측정결과의 정밀도를 높일 수 있다.

상기 실린더 렌즈(400)는 복수 개의 실린더형 렌즈들을 나란히 배치하여 형성한다. 상기 복수 개의 실린더형 렌즈들은 상기 차폐막과 센서칩 사이에 적절히 위치하여 상기 차폐막(300)의 슬릿을 통과한 파이조각 형태의 광인 광살(310)을 통과시키면서 표면 플라즈몬 공명을 발생하는 상기 센서칩(500)의 한 지점에 상기 광살을 집속시키는 역할을 한다. 본 실시예에서는 두 개의 실린더형 렌즈들이 서로 마주보도록 배치하여 형성하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 본 실시예에서 상기 실린더 렌즈(400)는 두 개의 실린더형 렌즈들을 서로 마주보도록 배치하여 형성한다. 상기 두 개의 실린더형 렌즈는 상기 렌즈의 볼록부들이 서로 마주보도록 배치된다. 상기와 같이 두 개의 실린더형 렌즈들이 서로 마주보도록 배치됨으로서 투과되는 광의 투과율을 높이고 또한 상기 광의 집적도를 높일 수 있다. 또한 하나의 양면 볼록렌즈를 사용하는 경우보다 광의 투과율을 높일 수 있다. 상기 실린더렌즈(400)는 상기 차폐막(300)과 센서칩(500) 사이에 위치하여 상기 차폐막(300)의 슬릿을 통과한 파이조각 형태의 광인 광살(310)을 통과시켜, 표면 플라즈몬 공명을 발생하는 상기 센서칩(500)의 한 지점, 즉 상기 센서칩(500) 축의 중심이 되는 지점에 상기 광살을 집속시키는 역할을 수행한다.

상기 센서칩(500)은 프리즘(510), 투명기판(520) 및 금속박막(530)을 포함한다.

상기 프리즘(510)은 상기 두 개의 반원통 형태의 실린더렌즈(400)를 통과한 광살을 투과시키기 위하여 실리카(SiO2), BK7, SF11 등의 유리 또는 플라스틱 같은 투명한 재질을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 프리즘(510)의 형태는 반원통형, 삼각기둥형, 직육면체형 및 회절격자형이 될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 이때, 상기 프리즘(510) 상에는 금속박막(530)이 형성될 투명기판(520)이 위치하며, 상기 프리즘(510)과 투명기판(520)은 광학적 결합(optical coupling)으로 접합되는 것을 특징으로 할 수 있으며, 특히 상기 광학적 결합은 상기 프리즘(510)와 투명기판(520)을 하나로 인식하여 레이저 빔을 반사시키기 위해 인덱스 매칭 오일(index matching oil)에 의해 이루어질 수 있다. 상기 프리즘(510)는 입사된 광살의 파장을 줄여서 운동량을 증가시키기 때문에, 상기 광살이 금속박막(530)에 집속될 때, 상기 금속박막(530) 상에서 표면 플라즈몬 공명이 유발되는 효과를 갖는다.

본 발명에서 금속박막(530)은 상기 프리즘(510) 상의 투명기판(520) 상에 형성되며, 상기 금속박막(530)은 금(Au), 은(Ag) 및 동(Cu)으로 형성되는 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 금속박막(530)에서는 회전거울(200)에서 반사되어 차폐막(300) 및 실린더렌즈(400)를 순차적으로 통과하여 금속박막(530)의 어느 한 지점에 집속된 광살의 입사광에 의해서 표면 플라즈몬 공명현상을 발생시키며, 또한, 상기 광살의 입사광을 반사시켜 광살의 반사광인 제 3광(610)을 수광부(600)로 발진시키는 기능 및 효과를 갖는다.

상기 센서칩(500)은 상기의 구성으로 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 상기 금속박막(530)은 상기 프리즘(510) 상에 직접 증착되어 형성될 수 있다. 즉, 상기 센서칩은 상기 투명기판(520) 및 인덱스 매칭 오일을 사용하지 않고, 상기 프리즘 상에 금속이 증착됨으로써, 일체형으로 형성될 수 있다.

상기 수광부(600)는 상기 센서칩(500)에서 반사되는 제3 광(610)을 감지할 수 있다. 즉, 상기 수광부(600)는 표면 플라즈몬 공명 흡수로 인한 파장의 변화, 예를 들어, 색 변화 또는 세기 변화를 정량적으로 측정할 수 있다. 상기 수광부(600)는 상기 센서칩으로 입사된 광의 입사각인 θb-θa와 동일한 각도로 상기 금속박막(530)으로부터 반사된 제3 광(610)의 세기가 최소가 되는 이미지 상의 어두운 부분을 모니터함으로써 표면 플라즈몬 공명각(θR)을 실시간으로 측정하여 시료를 분석할 수 있는 기능 및 효과를 갖는다. 상기 수광부(600)는 포토다이오드 어레이(Photo Diode Array, PDA) 또는 전하결합소자(Charge Coupled Device, CCD), 상보적 금속산화물 반도체(Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS) 등의 이미지 디텍터(detector)용 수광부를 사용할 수 있다.

상기와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 SPR 센서 시스템에 따르면, 광원부(100)에서 발진된 제1 광은 편광부(110)를 통과하면서 TM 모드로 편광되고, 상기 편광된 광은 일정한 속도로 회전하는 평판형 회전거울(200)에서 반사되어 디스크 형태의 제2 광(240)으로 발산된다. 상기 디스크 형태의 제2 광(240)은 차폐막(300)을 통과하면서 파이조각 형태의 광(310)인 광살이 되어, 실린더 렌즈(400)를 거친 다음, 프리즘(510)을 지나 금속박막(530) 상의 한 지점에 집속된다. 이때, 상기 금속박막(530)에서는 표면 프라즈몬 공명이 발생되고, 상기 광살은 금속박막(530)에서 반사되어 상기 금속박막(530) 상의 시료의 종류에 따라 달라지는 공명각(θR)이 수광부(600)에서 측정됨으로써, 시료를 분석할 수 있다.

여기서, 상기 광원부에서 발진된 제1 광의 단면이 점(dot) 형태이면, 상기 회전거울에 반사된 제2 광은 상기 제1 광의 단면의 직경과 동일한 두께를 갖는 디스크의 형태로 만들어지고, 상기 제1 광의 단면이 선(line) 형태이면, 상기 회전거울에 반사된 제2 광은 상기 제1 광의 단면의 길이와 동일한 두께를 갖는 디스크의 형태로 만들어진다.

상기 시료 제공부(700)는 상기 센서칩(500)의 금속박막(530)상에 배치되어, 상기 금속박막상으로 테스트 시료를 제공한다. 상기 시료 제공부에 대해서는 이하 도 6a 내지 도 7을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다.

도 6a는 도 3의 표면 플라즈몬 공명 시스템의 시료 제공부를 나타낸 모식도이다. 도 6b는 도 6a의 시료 제공부를 나타낸 정면 모식도이다. 도 7은 도 6a의 시료 제공부의 패드를 나타낸 모식도이다.

도 3, 도 6a 내지 도 7을 참조하면, 상기 시료 제공부(700)는 본체부(710), 패드(720) 및 조절부(730)를 포함한다.

상기 본체부(710)는 테스트 시료가 저장된 시료 저장부(미도시)와 연결되어, 상기 테스트 시료를 주입받는다. 상기 본체부에는 상기 테스트 시료가 주입될 수 있는 복수 개의 관통로(712)들이 형성되어 있다.

상기 패드(720)는 상기 본체부(710)가 상기 센서칩(500)을 마주하는 상기 본체부의 일면에 형성된다. 상기 패드(720)에는 서로 평행한 복수개의 관통홀(hole)(722)들이 형성된다. 상기 패드의 관통홀들은 상기 테스트 시료가 지나는 상기 본체부의 관통로(712)들과 연결되고, 상기 테스트 시료는 상기 본체부의 관통로들을 지나면서 상기 관통로들과 연결된 상기 패드의 관통홀들을 지나게 된다. 상기 패드(720)는 상기 센서칩(500)의 금속 박막(530)과 압축된 상태로 접촉하게 되므로, 상기 테스트 시료는 상기 센서칩의 금속 박막상에 분포되어 상기 센서칩으로 입사된 입사광에 대한 표면 플라즈몬 공명을 발생시킬 수 있다. 상기 패드(720)는 탄성을 가지는 연질 재료로 형성된다. 예를 들면, 상기 패드는 고무로 형성될 수 있다. 상기 패드는 SPR 테스트 과정에서 상기 센서칩에 압축되어 밀착되기 때문에, 상기 테스트 시료가 외부로 새어나가지 않아 안정된 테스트가 가능하다.

상기 조절부(730)는 상기 본체부에서 상기 패드(720)가 형성된 일면의 반대면에 연결된다. 상기 조절부(730)는 회전하는 나사의 형태를 가지고 있어, 상기 나사를 일 방향으로 회전시에는 상기 본체부(710)를 밀어내고, 타 방향으로 회전시에는 상기 본체부(710)를 당기게 된다. SPR 테스트를 진행하는 과정에서 상기 센서칩(500)을 교체하는 경우, 기존의 SPR 센서 시스템은 시료가 지나는 상기 시료 제공부를 분해하고 다시 조립하는 과정을 거쳐야했다. 그러나 본 발명의 일 실시예에 따른 SPR 센서 시스템의 시료 제공부(700)는 상기와 같은 조절부(730)를 포함하여, 간단하게 상기 조절부를 조작함으로써, 상기 본체부 및 패드를 상기 센서칩(500)으로부터 이격시키고, 상기 센서칩을 교환하거나 기타 관련된 작업을 수행할 수 있다. 따라서 보다 효율적이고 편리하게 상기 작업들을 수행할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템은 하나의 평판 양면에 금속이 증착된 평판형태의 회전거울을 이용함으로써, 입사광원이 회전거울에서 반사될 때 굴절률의 변화에 의한 입사각 및 반사각의 변화를 방지하여 보다 정밀한 측정시스템을 제공할 수 있다. 또한 시료 제공부를 더 포함하고, 상기 시료 제공부에 조절부를 추가함으로써, 보다 편리하게 센서칩의 교체 및 기타 분리작업들을 수행할 수 있다.

이상에서는 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

100 : 광원부 110 : 편광부
200 : 회전거울 210 : 글라스 판
220 : 금속 230, 250, 260 : 회전판
300 : 차폐막 320 : 방지블록
400 : 실린더렌즈 500 : 센서칩
510 : 프리즘 520 : 투명기판
530 : 금속박막 600 : 수광부
700 : 시료 제공부 710 : 본체부
720 : 패드 730 : 조절부

Claims

제1 광을 발생하는 광원부;
상기 제1 광을 편광시키는 편광부;
평판형상의 기판 및 상기 기판의 적어도 일면에 증착된 금속층들을 포함하며, 중심축을 기준으로 회전하여 상기 편광된 제1 광을 반사하여 디스크 형태의 제2 광으로 발산시키는 회전거울;
상기 회전거울에 인접하게 배치되어, 상기 제2 광의 일부를 통과시키는 차폐막;
상기 차폐막을 통과한 제2 광의 일부를 집속하는 복수 개의 실린더 렌즈들;
프리즘, 및 상기 프리즘의 일면에 형성되는 금속박막을 포함하고, 상기 집속된 제2 광을 제3 광으로 반사하는 센서칩; 및
상기 제3 광을 감지하는 수광부를 포함하는 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템.
제1항에 있어서, 상기 회전거울의 두께는 0.5mm~2mm인 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템.
제1항에 있어서, 상기 회전거울은 상기 회전거울의 중심축과 동일한 축으로 회전하는 회전판에 고정되고, 상기 회전판의 상부면에는 상기 회전판의 중심축을 지나는 홈이 형성되며, 상기 회전거울은 상기 홈에 장착되는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템.
제3항에 있어서, 상기 회전판은 원기둥 또는 다각형 기둥 형상인 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템.
제3항에 있어서, 상기 회전판의 상부면에 형성된 홈은 상기 회전판의 중심축을 교차하는 십자형상을 가지는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템.
제3항에 있어서, 상기 회전거울의 크기는 가로 및 세로가 각각 5mm~20mm이고, 상기 회전판의 폭은 8mm~23mm인 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템.
제1항에 있어서, 상기 회전거울과 상기 수광부 사이에 배치되어 상기 회전거울로부터 반사된 상기 제2 광의 일부를 차단하는 방지블록을 더 포함하는 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템.
제1항에 있어서, 상기 광원부는 가스레이저(gas laser) 또는 레이저 다이오드(laser diode)인 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템.
제1항에 있어서, 상기 광원부로부터 발생하는 제1 광의 단면은 점(dot) 또는 선(line) 형태인 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템.
제1항에 있어서, 상기 편광부는 상기 제1 광을 TM 모드(Transverse Magnetic mode)로 변화시키는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템.
제1항에 있어서, 상기 회전거울의 회전 속도는 1500rpm~10000rpm인 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템.
제1항에 있어서, 상기 실린더 렌즈들은 각각 반원통 형태를 가지는 두 개의 실린더 렌즈들이며, 상기 렌즈의 볼록부들이 서로 마주보도록 배치되는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템.
제1항에 있어서, 상기 수광부는 이미지 디텍터(detector)용 수광부인 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템.
제1항에 있어서, 상기 센서칩에 밀착되고 테스트용 시료가 제공되는 시료 제공부를 더 포함하는 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템.
제14항에 있어서, 상기 시료 제공부는
상기 시료가 지나는 관통로가 형성된 본체부;
탄성 재질을 가지며, 상기 본체부에서 상기 센서칩을 마주하는 일면에 형성되어 상기 센서칩에 밀착되는 패드부; 및
상기 본체부에서 상기 패드부가 형성된 면과 반대되는 면에 형성되어, 상기 패드부를 상기 센서칩에 밀착 또는 이격시키는 조절부를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템.
제15항에 있어서, 상기 패드부에는 서로 평행한 복수 개의 관통홀들이 형성되는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명 센서 시스템.