KR20140007117A - Photonic crystal fiber for analysing biochemical analyte by terahertz spectroscopy and terahertz spectroscopic analysis method using photonic waveguide as the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 테라헤르츠 분광에 의한 극미량의 생화학 시료 분석용 광결정 광섬유 및 이를 광도파로로 이용한 극미량의 생화학 시료의 테라헤르츠 분광 분석방법에 관한 것이다.The present invention relates to a photonic crystal optical fiber for analyzing a trace amount of a biochemical sample by terahertz spectroscopy, and a method for terahertz spectroscopic analysis of a trace amount of a biochemical sample using the same as an optical waveguide.
테라헤르츠(THz) 영역은 생화학 물질의 결합 반응 등에서 발생하는 분자의 회전, 저주파 결합 진동, 포논(phonon) 진동과 연관되어 고분자간 또는 고분자내 기능적 특성을 파악하는 데 매우 유용하다. 이를 통해, 단백질, 탄수화물, 핵산 등과 같은 서로 다른 구성 물질을 포함하는 생화학 시료를 라벨 없이(label free) 실시간으로 분석해내는 기술이 가능해졌고, 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 또한, THz 대역 분광학을 통해 군사적, 환경적 위험물질의 유무, 분포를 측정하는 기술이 상용화되었으며 관련 장비의 포설이 실제로 이루어지고 있다.The terahertz (THz) region is very useful for understanding the intermolecular or intramolecular functional properties associated with molecular rotation, low frequency binding vibration, and phonon vibration generated during biochemical binding reactions. Through this, a technology for label-free analysis of biochemical samples including different components such as proteins, carbohydrates, nucleic acids, etc. in real time has been possible, and researches on this are being actively conducted. In addition, technology for measuring the presence and distribution of military and environmentally dangerous substances through THz band spectroscopy has been commercialized, and the installation of related equipment is actually being carried out.
그러나, 수용액상의 생화학 시료는 THz 영역에서 매우 강한 흡수력을 갖는 물의 특성 때문에, 부분적으로 또는 전체적으로 건조, 냉동시켜 물을 제거한 시편을 사용하거나, 고출력 자유전자 레이저에서 발생된 THz 광원을 사용해야만 했다[J. Xu, K.W. Plaxco, and S.J. Allen, "Probing the collective vibrational dynamics of a protein in liquid water by terahertz absorption spectroscopy", Prot. Sci. 15,1175-1181(2006); A. G. Markelz, and A. Roitberg, and E. J. Heilweil, "Pulsed terahertz spectroscopy of DNA, bovine serum albumin and collagen between 0.1 and 2.0 THz", Chem. Phys. Lett. 32,042-48(2000)]. 이 경우, 생화학 시료의 자연적인 환경에서 in-vivo in-situ 분석이 불가능하고, 경제적인 면에서 효율이 떨어지기 때문에 실제 상용화되기에 어려운 문제점을 갖고 있다.However, biochemical samples in aqueous solution had to use specimens from which water was removed by drying or freezing in part or in whole due to the characteristics of water having a very strong absorption in the THz region, or using THz light sources generated by high-power free electron lasers [J. . Xu, K.W. Plaxco, and S.J. Allen, "Probing the collective vibrational dynamics of a protein in liquid water by terahertz absorption spectroscopy", Prot. Sci. 15,1175-1181 (2006); A. G. Markelz, and A. Roitberg, and E. J. Heilweil, "Pulsed terahertz spectroscopy of DNA, bovine serum albumin and collagen between 0.1 and 2.0 THz", Chem. Phys. Lett. 32,042-48 (2000). In this case, in-vivo in-situ analysis is impossible in the natural environment of the biochemical sample, and it is difficult to be commercialized because it is economically inefficient.
최근, 소량의 액상 시료를 이용해 저출력 THz 광원으로 고효율의 센서 시스템을 구현한 예로, PDMS 마이크로 유체 소자 내에 분석 챔버를 구성해서 이에 수직 방향으로 입사하는 THz 펄스의 흡수 스펙트럼을 분석하거나, 메탈 재질의 테라헤르츠 도파로 내에 실리카 튜브를 도파로와 수직한 방향으로 관통시킨 후 튜브에 액체 시료를 주입하여 THz 파의 흡수, 반사 계수 스펙트럼을 분석하는 방법이 연구되었다[P. A. George, W. Hui, F. Rana, B. G. Hawkins, A. E. Smith, and B. J. Kirby, "Microfluidic devices for terahertz spectroscopy of biomolecules", Opt. Express 16, 1577-1582(2008); V. Matvejev, C. de Tandt, W. Ranson, J. Stiens, R. Vounckx, and D. Mangelings, "Integrated waveguide structure for highly sensitive THz spectroscopy of nano-liter liquids in capillary tubes", Progress in Electromagnetics Research, 121,89-101(2011)].Recently, a high-efficiency sensor system has been implemented using a low output THz light source using a small amount of liquid sample. For example, an analysis chamber is constructed in a PDMS microfluidic device to analyze an absorption spectrum of a THz pulse incident in a vertical direction, or a metal A method of analyzing the absorption and reflection coefficient spectra of THz waves by penetrating a silica tube in a hertz waveguide in a direction perpendicular to the waveguide and then injecting a liquid sample into the tube [P. A. George, W. Hui, F. Rana, B. G. Hawkins, A. E. Smith, and B. J. Kirby, "Microfluidic devices for terahertz spectroscopy of biomolecules", Opt. Express 16, 1577-1582 (2008); V. Matvejev, C. de Tandt, W. Ranson, J. Stiens, R. Vounckx, and D. Mangelings, "Integrated waveguide structure for highly sensitive THz spectroscopy of nano-liter liquids in capillary tubes", Progress in Electromagnetics Research, 121,89-101 (2011).
1960 년대에 레이저가 개발되면서 광파의 응용 소자는 그 사용범위가 넓어졌지만, 그럼에도 테라헤르츠 영역대는 광원과 광분석기의 개발 미비로 응용이 어려웠다. 광결정 광섬유 구조는 기존의 계단형 굴절율 광섬유에서 얻을 수 없었던 다양한 광 특성을 얻을 수 있다는 점에서 높이 평가받았지만, 현재까지 테라헤르츠 영역 대의 연구는 미비한 상태이며, 특히 중공을 가지면서 전반사 원리로 링 형태의 도파 분포를 갖는 THz 광결정 광섬유는 보고된 바가 없다.The development of lasers in the 1960s led to the widespread use of light wave applications, but the terahertz range was difficult due to the lack of development of light sources and optical analyzers. Although the photonic crystal fiber structure has been highly evaluated in that it can obtain various optical properties that cannot be obtained in the conventional stepped refractive fiber, the research in the terahertz region has been insufficient. No THz photonic crystal fiber with waveguide distribution has been reported.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상기와 같이 종래 테라헤르츠 영역에서 수용액 생화학 시료의 분광 분석이 갖고 있는 문제점을 해결하기 위하여, 중공을 가지면서 전반사 원리로 링 형태의 도파 분포를 갖는 테라헤르츠 분광에 의한 생화학 시료 분석용 광결정 광섬유를 제공하는 것이다.Accordingly, the problem to be solved by the present invention is a terahertz spectroscopy having a hollow wave-shaped waveguide distribution in the total reflection principle in order to solve the problems of the conventional spectroscopic analysis of aqueous biochemical samples in the terahertz region as described above The present invention provides a photonic crystal optical fiber for biochemical sample analysis.
또한, 본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여 상기 광결정 광섬유를 광도파로로 이용한 생화학 시료의 테라헤르츠 분광 분석방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a terahertz spectroscopic analysis method of a biochemical sample using the photonic crystal optical fiber as an optical waveguide to solve the above problems.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여,In order to solve the above problems,
테라헤르츠 분광에 의한 생화학 시료 분석용 광결정 광섬유에 있어서,In the photonic crystal optical fiber for biochemical sample analysis by terahertz spectroscopy,
광결정 광섬유의 중심부에 길이 방향으로 길게 형성되는 중공;Hollow formed in the longitudinal direction in the center of the photonic crystal optical fiber;
상기 중공 외부에 형성되며, 복수의 공기 구멍이 상기 중공을 중심으로 일정 간격으로 육각형 형상을 이루고, 상기 광결정 광섬유의 길이 방향으로 길게 형성되는 내부 클래드; 및An inner clad formed on the outside of the hollow, and having a plurality of air holes formed in a hexagonal shape at regular intervals around the hollow, and formed in the longitudinal direction of the photonic crystal optical fiber; And
상기 내부 클래드 외곽을 감싸는 환형 형상의 외부 클래드;를 포함하고,And an annular outer cladding surrounding the outer cladding of the inner clad.
상기 중공은 상기 공기 구멍보다 직경이 작으며, 상기 중공의 일부에 테라헤르츠 분광에 의해서 분석하고자 하는 생화학 시료가 주입되어 있는 것을 특징으로 하는 광결정 광섬유를 제공한다.The hollow has a diameter smaller than that of the air hole and provides a photonic crystal optical fiber, wherein a part of the hollow is injected with a biochemical sample to be analyzed by terahertz spectroscopy.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 광결정 광섬유는 테라헤르츠파를 도파시키는 경우 도파광이 링 형태의 분포를 가지면서 중공을 따라 도파될 수 있다.According to one embodiment of the present invention, when the photonic crystal optical fiber guides terahertz waves, the guided light may be guided along the hollow while having a ring-shaped distribution.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 생화학 시료는 혈액, 소변, 임파액 및 타액 중에서 선택되는 적어도 하나의 생체 유체 물질; 또는 조직 세포, 단백질, 핵산 및 항체 중에서 선택되는 어느 하나가 수용액상에 분산된 분산액;일 수 있다.According to one embodiment of the invention, the biochemical sample comprises at least one biofluid material selected from blood, urine, lymphatic and saliva; Or a dispersion dispersed in an aqueous solution of any one selected from tissue cells, proteins, nucleic acids, and antibodies.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 생화학 시료의 양은 10 pL - 10 nL일 수 있으며, 상기 생화학 시료는 마이크로 유체 펌프에 의해서 중공에 주입되거나, 모세관 힘에 의해서 주입기로부터 중공에 주입될 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the amount of the biochemical sample may be 10 pL-10 nL, the biochemical sample may be injected into the hollow by a microfluidic pump, or injected into the hollow by the capillary force.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 광결정 광섬유의 전체 외경은 0.500-10 mm일 수 있고, 상기 공기 구멍의 직경은 30-600 ㎛일 수 있으며, 상기 공기 구멍간의 일정한 간격은 50-800 ㎛일 수 있고, 상기 중공의 직경은 5-400 ㎛일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the total outer diameter of the photonic crystal fiber may be 0.500-10 mm, the diameter of the air hole may be 30-600 ㎛, the constant spacing between the air hole is 50-800 ㎛ The diameter of the hollow may be 5-400 μm.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 광결정 광섬유는 폴리머, 테플론, 실리콘 및 사파이어 중에서 선택되는 어느 하나의 재질로 형성될 수 있다.
According to one embodiment of the present invention, the photonic crystal optical fiber may be formed of any one material selected from polymer, Teflon, silicon and sapphire.
또한, 본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여,Further, in order to solve the above problems,
(a) 광결정 광섬유의 중공의 일부에 생화학 시료를 주입하는 단계;(a) injecting a biochemical sample into a portion of the hollow of the photonic crystal optical fiber;
(b) 상기 생화학 시료가 주입된 광결정 광섬유의 중공을 광 도파로로 하여 테라헤르츠파를 도파시키는 단계; 및(b) guiding the terahertz wave using the hollow of the photonic crystal fiber injected with the biochemical sample as an optical waveguide; And
(c) 상기 도파되는 테라헤르츠파와 중공에 주입된 시료가 상호 작용하여 발생되는 주파수에 따른 반사, 투과 및 흡수 스펙트럼 상의 변화를 측정하는 단계;를 포함하고,(c) measuring a change in reflection, transmission, and absorption spectra according to a frequency generated by the interaction of the waveguided terahertz wave and the sample injected into the hollow;
상기 광결정 광섬유는 중심부에 길이 방향으로 길게 형성되는 중공;The photonic crystal fiber is hollow formed in the longitudinal direction in the center;
상기 중공 외부에 형성되며, 복수의 공기 구멍이 상기 중공을 중심으로 일정 간격으로 육각형 형상을 이루고, 상기 광결정 광섬유의 길이 방향으로 길게 형성되는 내부 클래드; 및An inner clad formed on the outside of the hollow, and having a plurality of air holes formed in a hexagonal shape at regular intervals around the hollow, and formed in the longitudinal direction of the photonic crystal optical fiber; And
상기 내부 클래드 외곽을 감싸는 환형 형상의 외부 클래드;를 포함하고,And an annular outer cladding surrounding the outer cladding of the inner clad.
상기 중공은 상기 공기 구멍보다 직경이 작은 것을 특징으로 하는 생화학 시료의 테라헤르츠 분광 분석방법을 제공한다.The hollow provides a terahertz spectroscopic analysis method of a biochemical sample, characterized in that the diameter is smaller than the air hole.
본 발명은 테라헤르츠파가 도파되면서 생화학 시료와 상호 작용하여 발생하는 반사, 투과, 흡수 스펙트럼 상의 변화를 분석하여 생화학 시료를 분석하는 것으로서, 나노 리터 이하의 극미량 생화학 시료에 대해서도 간단하게 실시간으로 라벨 없이 분석을 가능하게 한다. 또한, 상용화된 마이크로 유체 펌프를 이용하여 주입되는 시료의 양과 위치를 조절하여 테라헤르츠파와 상호작용하는 구간을 조절할 수 있으며, 기존의 테라헤르츠파 분광기나 마이크로 칩 형태의 플랫폼에도 설치가 가능하여 다양한 분야에 광범위하게 적용할 수 있다.The present invention analyzes a biochemical sample by analyzing changes in reflection, transmission, and absorption spectrum generated by interacting with a biochemical sample while terahertz waves are waveguided. Enable analysis. In addition, by using the commercially available microfluidic pump, the amount and position of the injected sample can be adjusted to control the section interacting with the terahertz wave, and it can be installed on the existing terahertz wave spectrometer or microchip platform. It is widely applicable to.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 생화학 시료를 테라헤르츠 분광분석하기 위한 광도파로인 광결정 광섬유를 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 생화학 시료를 테라헤르츠 분광분석하기 위한 광도파로인 광결정 광섬유의 단면도로서, 촤측 및 우측은 각각 중공에 분석하고자 하는 생화학 시료가 채워지지 않은 부분의 광결정 광섬유의 단면도, 중공의 일부 영역에 분석하고자 하는 생화학 시료가 채우진 부분의 광결정 광섬유의 단면도이다.
도 3a는 중공에 시료가 주입되지 않은 광결정 광섬유에 1 THz파를 도파시킨 경우의 도파 분포도 이미지이다.
도 3b는 중공에 시료가 주입된 광결정 광섬유에 1 THz파를 도파시킨 경우의 도파 분포도 이미지이다.
도 3c는 중공에 시료가 주입되지 않은 광결정 광섬유에 1 THz파를 도파시킨 경우 및 중공에 시료가 주입된 광결정 광섬유에 1 THz파를 도파시킨 경우의 도파 분포도를 보여주는 그래프이다.1 is a perspective view showing a photonic crystal optical fiber which is an optical waveguide for terahertz spectroscopic analysis of a biochemical sample according to an embodiment of the present invention.
2 is a cross-sectional view of a photonic crystal optical fiber which is an optical waveguide for terahertz spectroscopic analysis of a biochemical sample according to an embodiment of the present invention. The left and right sides of the photonic crystal optical fiber are not filled with the biochemical sample to be analyzed in the hollow. It is sectional drawing of the photonic crystal optical fiber of the part filled with the biochemical sample to analyze in the hollow partial area.
FIG. 3A is a waveguide distribution image when 1 THz wave is waveguided in a photonic crystal fiber in which no sample is injected into the hollow. FIG.
FIG. 3B is a waveguide distribution image when 1 THz wave is waveguided in a photonic crystal fiber in which a sample is injected into a hollow. FIG.
FIG. 3C is a graph showing the waveguide distribution diagram when 1 THz wave is guided to the photonic crystal fiber in which the sample is not injected into the hollow and 1 THz wave is guided to the photonic crystal fiber injected into the hollow.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.
본 발명의 일 측면은 테라헤르츠 분광 분석에 의해서 나노리터 이하의 극미량 생화학 수용액 시료를 분석할 수 있는 신규의 광결정 광섬유 도파로에 관한 것이다.One aspect of the present invention relates to a novel photonic crystal optical waveguide capable of analyzing a sample of ultra-small biochemical aqueous solution of less than nanoliters by terahertz spectroscopic analysis.
또한, 본 발명의 다른 일 측면은 상기 광결정 광섬유를 도파로로 이용하고, 중심부에 분석하고자 하는 극미량의 생화학 수용액 시료를 주입한 후, 링 형태의 모드 분포를 갖는 테라헤르츠파를 도파시켜서 테라헤르츠파가 전반사 원리에 의해서 도파로를 따라 전파되면서 시료와 상호 작용을 일으키고 이에 의해 발생하는 반사, 투과 및 흡수 스펙트럼 상의 변화를 광결정 광섬유의 출력단에서 분석하는 생화학 시료의 테라헤르츠 분광 분석방법에 관한 것이다.
In addition, another aspect of the present invention uses the photonic crystal optical fiber as a waveguide, injects a trace amount of a biochemical aqueous solution to be analyzed in the center, and then terahertz wave by wavering a terahertz wave having a ring-shaped mode distribution The present invention relates to a method for terahertz spectroscopic analysis of a biochemical sample which propagates along a waveguide according to the total reflection principle and interacts with the sample and analyzes the change in the reflection, transmission, and absorption spectra generated at the output terminal of the photonic crystal fiber.
먼저, 하기 도 1은 본 발명의 바람직한 일 구현예에 따라 생화학 시료를 테라헤르츠 분광 분석하기 위한 광도파로인 광결정 광섬유를 나타낸 사시도이며, 하기 도 2는 본 발명의 바람직한 일 구현예에 따라 생화학 시료를 테라헤르츠 분광 분석하기 위한 광도파로인 광결정 광섬유의 단면도로서, 촤측 및 우측은 각각 중공에 분석하고자 하는 생화학 시료가 채워지지 않은 부분의 광결정 광섬유의 단면도(20), 중공의 일부 영역에 분석하고자 하는 생화학 시료가 채우진 부분의 광결정 광섬유의 단면도(21)이다.First, FIG. 1 is a perspective view illustrating a photonic crystal optical fiber which is an optical waveguide for terahertz spectroscopic analysis of a biochemical sample according to a preferred embodiment of the present invention, and FIG. 2 illustrates a biochemical sample according to a preferred embodiment of the present invention. A cross-sectional view of a photonic crystal optical fiber, which is an optical waveguide for terahertz spectroscopic analysis, wherein the left and right sides of the photonic crystal optical fiber are not filled with the biochemical sample to be analyzed in the hollow, respectively. It is
도 1 및 도 2에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 광결정 광섬유는 광결정 광섬유의 중심부에 길이 방향으로 길게 형성되는 중공(22, 25), 상기 중공(22, 25) 외부에 형성되며, 복수의 공기 구멍(23)이 상기 중공(22, 25)을 중심으로 일정 간격으로 육각형 형상을 이루고, 상기 광결정 광섬유의 길이 방향으로 길게 형성되는 내부 클래드 및 상기 내부 클래드 외곽을 감싸는 환형 형상의 외부 클래드(24)를 포함한다. 즉, 전체 외경이 OD인 외부 클래드(24) 안쪽으로 직경 ID2인 복수의 공기 구멍(23)이 인접하는 공기 구명과의 간격 L을 가지고 규칙적으로 배열되어 전체적으로 육각형 형상을 이루어 결정을 형성하고, 중앙에는 상기 내부 클래딩 내의 복수의 공기 구멍(23)보다는 작은 직경(ID1)을 갖는 중공(22, 25)이 존재한다.1 and 2, the photonic crystal optical fiber according to the present invention is formed in the hollow (22, 25) extending in the longitudinal direction in the center of the photonic crystal optical fiber, formed outside the hollow (22, 25), a plurality of
이와 같이, 중심부에 주변의 공기 구멍(23)보다 직경이 작은 중공(22, 25)을 배치하여 중공에 테라헤르츠파 도파시 전반사 원리에 의해서 중공 주변 주위로 광이 도파된다.In this way, the
따라서, 본 발명에 따른 광결정 광섬유의 중공(22, 25)에는 분석하고자 하는 수용액 상태의 생화학 시료(11)가 주입되고, 여기에 테라헤르츠파를 도파시키면 시료(11)가 주입된 중공을 따라서 도파되는 테라헤르츠파와 시료가 상호 작용하여 발생하는 주파수의 반사, 투과 및 흡수 스펙트럼을 광결정 광섬유 출력단에서 확인할 수 있고, 이를 통하여 실시간으로 직접 시료를 분석할 수 있다.Therefore, the
도 1은 나노리터 이하의 극미량의 액체시료(11)를 테라헤르츠 분광법을 통해 분석하기 위한 광도파로의 바람직한 형태로서, 광결정 광섬유(10)의 중공(22, 25)에 분석하고자 하는 수용액 상태의 생화학 유체 시료(11)를 선택적으로 마이크로 펌프 또는 모세관 현상을 이용해서 주입하고, 도 1에 나타나 있는 바와 같이, 중공(22, 25)은 길이 방향으로 일부 영역(12)에만 액체 시료(11)를 주입한 형태(21)로 하고, 나머지 도파로 영역은 공기구멍 상태(20)로 유지한다. 액체 시료(11)가 주입된 일부 영역(12)의 길이는 수백 마이크로미터일 수 있다.FIG. 1 is a preferred embodiment of an optical waveguide for analyzing a trace amount of a
상기 중공(22, 25)에 주입된 수용액 상태의 생화학 시료(11)는 혈액, 소변, 임파액 및 타액 중에서 선택되는 적어도 하나의 생체 유체 물질; 또는 조직 세포, 단백질, 핵산 및 항체 중에서 선택되는 어느 하나가 수용액상에 분산된 분산액;일 수 있고, 그 양은 10 pL - 10 nL일 수 있다.The
본 발명에 따른 광결정 광섬유에서, 전체 외경(OD)은 0.500-10 mm, 공기 구멍의 직경(ID1)은 30-600 ㎛, 상기 공기 구멍간의 일정한 간격(L)은 50-800 ㎛, 중공의 직경(ID1)은 5-400 ㎛으로 형성될 수 있으며, 폴리머, 테플론, 실리콘 및 사파이어 중에서 선택되는 어느 하나의 재질로 형성될 수 있다.
In the photonic crystal optical fiber according to the present invention, the total outer diameter (OD) is 0.500-10 mm, the diameter of the air holes (ID1) is 30-600 μm, the constant spacing (L) between the air holes is 50-800 μm, the diameter of the hollow ID1 may be formed of 5-400 μm, and may be formed of any one material selected from polymer, Teflon, silicon, and sapphire.
굴절율이 1.5인 일반적인 폴리머 재질로 본 발명에 따른 광결정 광섬유를 제조한 후, 1 THz의 파를 중공에 도파시켰을 경우의 도파로 단면상의 도파 모드의 분포도를 비교하였다.After fabricating the photonic crystal optical fiber according to the present invention with a general polymer material having a refractive index of 1.5, the distribution of waveguide modes on the cross section of the waveguide when 1 THz wave was waveguided in the hollow was compared.
도 3a는 중공에 시료가 주입되지 않은 광결정 광섬유에 1 THz파를 도파시킨 경우의 도파 분포도 이미지이고, 도 3b는 중공에 시료가 주입된 광결정 광섬유에 1 THz파를 도파시킨 경우의 도파 분포도 이미지이며, 도 3c는 각각의 도파 분포도를 보여주는 그래프이다.FIG. 3A is a waveguide distribution image when 1 THz waves are guided to a photonic crystal fiber in which no sample is injected into the hollow, and FIG. 3B is a waveguide distribution image when 1 THz wave is guided to the photonic crystal fiber injected with the sample in the hollow. 3C is a graph showing respective waveguide distributions.
도 3에서 보는 바와 같이, 중공으로 도파되는 테라헤르츠 파는 액체시료가 있는 부분을 접하더라도 액체 시료의 굴절률에 의해서 도파광이 중공 방향으로 치우쳐서 분포하되, 액체 시료에 직접적으로 최고 출력이 도파되지 않음을 확인할 수 있다. 즉, 도파되는 파의 최고 출력이 액체 시료에 직접적으로 도파되지는 않되 충분한 상호작용을 일으킬 수 있도록 액체 시료가 위치한 중공 쪽으로 치우쳐 모드가 분포함을 확인할 수 있다.As shown in FIG. 3, the terahertz wave that is waveguided in the hollow is distributed evenly in the hollow direction due to the refractive index of the liquid sample, even though the part where the liquid sample is in contact with the liquid sample does not directly guide the maximum output to the liquid sample. You can check it. That is, it can be seen that the mode is distributed to the hollow side where the liquid sample is located so that the maximum output of the wave being waved is not directly guided to the liquid sample but causes sufficient interaction.
따라서, 본 발명은 많은 액체 시료를 필요로 하지 않고, 나노 리터 이하의 극미량의 시료를 이용하는 경우에는 분석이 가능하며, 종래 THz 영역에서 액상 시료를 분석할 때 발생했던 심각한 광손실로 인한 한계를 극복하여, 라벨이 필요 없는(label-free) 실시간 생화학 분석이 가능하다.
Therefore, the present invention does not require a large amount of liquid samples, it is possible to analyze when using a very small amount of nano-liter samples, and overcome the limitations due to the serious light loss that occurred when analyzing the liquid sample in the THz region of the prior art This allows label-free real-time biochemical analysis.
또한, 본 발명은 상기 시료가 주입된 광결정 광섬유의 중공을 도파로로 이용하고, 하기 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 생화학 시료의 테라헤르츠 분광 분석방법을 제공한다. 이를 위하여 테라헤르츠파 공급부, 빔 가이드부 및 테라헤르츠 검출부로 이루어지는 테라헤라츠 분광기를 이용할 수 있다.In another aspect, the present invention provides a method for terahertz spectroscopy analysis of a biochemical sample, characterized in that it comprises a hollow waveguide of the photonic crystal fiber injected with the sample as a waveguide, and comprising the following steps. To this end, a terahertz spectrometer comprising a terahertz wave supply unit, a beam guide unit, and a terahertz detector may be used.
(a) 광결정 광섬유의 중공의 일부에 생화학 시료를 주입하는 단계,(a) injecting a biochemical sample into a portion of the hollow of the photonic crystal optical fiber,
(b) 상기 생화학 시료가 주입된 광결정 광섬유의 중공을 광 도파로로 하여 테라헤르츠파를 도파시키는 단계,(b) guiding the terahertz wave using the hollow of the photonic crystal fiber injected with the biochemical sample as an optical waveguide,
(c) 상기 도파되는 테라헤르츠파와 중공에 주입된 시료가 커플링되어 발생되는 주파수에 따른 반사, 투과 및 흡수 스펙트럼 상의 변화를 측정하는 단계.(c) measuring a change in the reflection, transmission and absorption spectra according to the frequency generated by coupling the waveguided terahertz wave and the sample injected into the hollow.
10 : 광결정 광섬유
11 : 광도파로 중공에 주입된 시료
12 : 중공의 일부영역에 주입된 시료의 형태
20 : 중공에 생화학 시료가 채워지지 않은 부분의 광결정 광섬유의 단면도
21 : 중공에 생화학 시료가 채우진 부분의 광결정 광섬유의 단면도
22 : 시료가 채워지지 않은 중공
23 : 공기 구멍
24 : 외부 클래드
25 : 시료가 채워진 중공
L : 공기 구멍간 간격
OD : 전체 외경
ID1 : 중공 직경
ID2 : 공기 구멍 직경10 photonic crystal optical fiber
11: Sample injected into the hollow waveguide
12: shape of the sample injected into the hollow part area
20: cross-sectional view of a photonic crystal optical fiber in a portion where the biochemical sample is not filled in the hollow
21: A cross-sectional view of a photonic crystal optical fiber in a portion filled with a biochemical sample in a hollow
22: hollow without sample
23: air hole
24: external cladding
25: hollow filled sample
L: Spacing between air holes
OD: overall outer diameter
ID1: hollow diameter
ID2: Air Hole Diameter
Claims (11)
광결정 광섬유의 중심부에 길이 방향으로 길게 형성되는 중공;
상기 중공 외부에 형성되며, 복수의 공기 구멍이 상기 중공을 중심으로 일정 간격으로 육각형 형상을 이루고, 상기 광결정 광섬유의 길이 방향으로 길게 형성되는 내부 클래드; 및
상기 내부 클래드 외곽을 감싸는 환형 형상의 외부 클래드;를 포함하고,
상기 중공은 상기 공기 구멍보다 직경이 작으며, 상기 중공의 길이 방향으로 일부 영역에 테라헤르츠 분광에 의해서 분석하고자 하는 생화학 시료가 주입되어 있는 것을 특징으로 하는 광결정 광섬유.In the photonic crystal optical fiber for biochemical sample analysis by terahertz spectroscopy,
Hollow formed in the longitudinal direction in the center of the photonic crystal optical fiber;
An inner clad formed on the outside of the hollow, and having a plurality of air holes formed in a hexagonal shape at regular intervals around the hollow, and formed in the longitudinal direction of the photonic crystal optical fiber; And
And an annular outer cladding surrounding the outer cladding of the inner clad.
The hollow is smaller in diameter than the air hole, the photonic crystal optical fiber, characterized in that the biochemical sample to be analyzed by terahertz spectroscopy is injected into a portion of the hollow in the longitudinal direction.
상기 광결정 광섬유는 테라헤르츠파를 도파시키는 경우 도파광이 링 형태의 분포를 가지면서 중공을 따라 도파되는 것을 특징으로 하는 광결정 광섬유.The method of claim 1,
The photonic crystal optical fiber is a photonic crystal optical fiber, characterized in that the waveguide is guided along the hollow while having a ring-shaped distribution when the wave is terahertz wave.
상기 생화학 시료는 혈액, 소변, 임파액 및 타액 중에서 선택되는 적어도 하나의 생체 유체 물질; 또는 조직 세포, 단백질, 핵산 및 항체 중에서 선택되는 어느 하나가 수용액상에 분산된 분산액인 것을 특징으로 하는 광결정 광섬유.The method of claim 1,
The biochemical sample may include at least one biofluid material selected from blood, urine, lymphatic fluid, and saliva; Or any one selected from tissue cells, proteins, nucleic acids, and antibodies is a dispersion dispersed in an aqueous solution.
상기 생화학 시료의 양은 10 pL - 10 nL이고, 마이크로 유체 펌프에 의해서 주입되거나, 모세관 힘에 의해서 주입되는 것을 특징으로 하는 광결정 광섬유.The method of claim 1,
The amount of the biochemical sample is 10 pL-10 nL, the photonic crystal optical fiber, characterized in that injected by a microfluidic pump, or by capillary force.
상기 광결정 광섬유의 전체 외경은 0.500-10 mm이고, 상기 공기 구멍의 직경은 30-600 ㎛이며, 상기 공기 구멍간의 일정한 간격은 50-800 ㎛이고, 상기 중공의 직경은 5-400 ㎛인 것을 특징으로 하는 광결정 광섬유.The method of claim 1,
The total outer diameter of the photonic crystal optical fiber is 0.500-10 mm, the diameter of the air hole is 30-600 ㎛, the regular interval between the air holes is 50-800 ㎛, the diameter of the hollow is 5-400 ㎛ Photonic crystal fiber.
상기 광결정 광섬유는 폴리머, 테플론, 실리콘 및 사파이어 중에서 선택되는 어느 하나의 재질로 형성된 것을 특징으로 하는 광결정 광섬유.The method of claim 1,
The photonic crystal optical fiber is formed of any one material selected from polymers, Teflon, silicon and sapphire.
(b) 상기 생화학 시료가 주입된 광결정 광섬유의 중공을 광 도파로로 하여 테라헤르츠파를 도파시키는 단계; 및
(c) 상기 도파되는 테라헤르츠파와 중공에 주입된 시료가 커플링되어 발생되는 주파수에 따른 반사, 투과 및 흡수 스펙트럼 상의 변화를 측정하는 단계;를 포함하고,
상기 광결정 광섬유는 중심부에 길이 방향으로 길게 형성되는 중공;
상기 중공 외부에 형성되며, 복수의 공기 구멍이 상기 중공을 중심으로 일정 간격으로 육각형 형상을 이루고, 상기 광결정 광섬유의 길이 방향으로 길게 형성되는 내부 클래드; 및
상기 내부 클래드 외곽을 감싸는 환형 형상의 외부 클래드;를 포함하고,
상기 중공은 상기 공기 구멍보다 직경이 작은 것을 특징으로 하는 생화학 시료의 테라헤르츠 분광 분석방법.(a) injecting a biochemical sample into a portion of the hollow of the photonic crystal optical fiber;
(b) guiding the terahertz wave using the hollow of the photonic crystal fiber injected with the biochemical sample as an optical waveguide; And
(c) measuring a change in the reflection, transmission, and absorption spectra according to the frequency generated by coupling the waveguided terahertz wave and the sample injected into the hollow;
The photonic crystal fiber is hollow formed in the longitudinal direction in the center;
An inner clad formed on the outside of the hollow, and having a plurality of air holes formed in a hexagonal shape at regular intervals around the hollow, and formed in the longitudinal direction of the photonic crystal optical fiber; And
And an annular outer cladding surrounding the outer cladding of the inner clad.
The hollow terahertz spectroscopic method of the biochemical sample, characterized in that the diameter is smaller than the air hole.
상기 (b) 단계에서 테라헤르츠파를 도파시키는 경우 도파광이 링 형태의 분포를 가지면서 중공을 따라 도파되는 것을 특징으로 하는 생화학 시료의 테라헤르츠 분광 분석방법.The method of claim 7, wherein
When the terahertz wave is guided in the step (b), the terahertz spectroscopic analysis method of a biochemical sample, wherein the waveguide is guided along the hollow while having a ring-shaped distribution.
상기 (a) 단계에서 주입되는 생화학 시료는 혈액, 소변, 임파액 및 타액 중에서 선택되는 적어도 하나의 생체 유체 물질; 또는 조직 세포, 단백질, 핵산 및 항체 중에서 선택되는 어느 하나가 수용액상에 분산된 분산액인 것을 특징으로 하는 생화학 시료의 테라헤르츠 분광 분석방법.The method of claim 7, wherein
The biochemical sample injected in step (a) comprises at least one biofluid material selected from blood, urine, lymph and saliva; Or tissue cell, protein, nucleic acid, and antibody selected from the group consisting of a dispersion liquid dispersed in an aqueous solution.
상기 (a) 단계에서 주입되는 생화학 시료의 양은 10 pL - 10 nL이고, 마이크로 유체 펌프에 의해서 주입되거나, 모세관 힘에 의해서 주입되는 것을 특징으로 하는 생화학 시료의 테라헤르츠 분광 분석방법.The method of claim 7, wherein
The amount of the biochemical sample injected in step (a) is 10 pL-10 nL, terahertz spectroscopic analysis method of the biochemical sample, characterized in that the injection by a microfluidic pump, or by capillary force.
상기 광결정 광섬유의 전체 외경은 0.500-10 mm이고, 상기 공기 구멍의 직경은 30-600 ㎛이며, 상기 공기 구멍간의 일정한 간격은 50-800 ㎛이고, 상기 중공의 직경은 5-400 ㎛인 것을 특징으로 하는 생화학 시료의 테라헤르츠 분광 분석방법.The method of claim 7, wherein
The total outer diameter of the photonic crystal optical fiber is 0.500-10 mm, the diameter of the air hole is 30-600 ㎛, the regular interval between the air holes is 50-800 ㎛, the diameter of the hollow is 5-400 ㎛ Terahertz spectroscopic analysis method of the biochemical sample to be.
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