KR20140014225A - 여기된 방사체의 복사 특성 변경 방법 - Google Patents
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Abstract
층상 구조물(1) 및 여기된 방사체(2)의 복사 특성을 변경하는 방법, 방사체(2)는 금속 물질을 포함하는 층상 구조물(1)의 부근에 위치되어, 방사체(2)는 방사체(2)의 복사 특성을 변경하는, 층상 구조물(1)의 표면 상태, 특히 표면 플라스몬 폴라리톤에 결합되고, 층상 구조물(1)은 비금속 슈퍼스트레이트층(4)과 비금속 서브스트레이트층(5) 사이에 개재된 금속층(3)을 포함하며, 적어도 금속층(3) 및 슈퍼스트레이트층(4)은 1 나노미터 이하의 평균평방근 거칠기를 갖는 매끄러운 인터페이스(8)에 의해 분리되며, 금속층(3)은 방사체(2)의 방사 파장(λ')에 대한 1/100와 1/20 사이의 두께를 갖는다.
Description
본 발명은 여기된 방사체(excited emitter)의 복사 특성 변경 방법에 관한 것이되, 방사체는 금속 물질을 포함하는 층상 구조물(layer structure)의 부근에 위치되어, 방사체가 방사체의 복사 특성을 변경하는, 층상 구조물의 표면 상태(surface state), 특히 표면 플라스몬 폴라리톤(surface plasmon polariton)에 결합한다.
더욱이, 본 발명은 층상 구조물의 표면 상태, 특히 표면 플라스몬 폴라리톤과 방사체 사이를 결합함으로써 층상 구조물의 부근에 위치된 여기된 방사체의 복사 특성을 변경하기 위한 금속 물질을 갖는 층상 구조물에 관한 것이다.
기술 분야에서, 표면 플라스몬(surface plasmon) 향상된 방사에 기초한 다수의 기술들이 제안되어 왔다. 표면 플라스몬은 표면에 수직인 방향으로 변칙 병진 불변성(broken translational invariance)으로부터 기인한, 금속/비금속 인터페이스(interface) 근처에 자유 전자의 집단 여기(collective excitation)이다. 표면 플라스몬은 광자에 결합될 수 있고, 이에 의해 표면 플라스몬 폴라리톤(surface plasmon polariton; SPP)을 형성한다. 표면 플라스몬 모드가 현저하게 방사체(emitter)/표면 시스템의 전자기장을 변화시키기에, 방사체의 방사 특성은 플라스몬 표면의 존재에서 변경될 수 있다는 것이 발견되어 왔다. 이런 효과는 발광 현상(형광, 인광 등)의 검출에 따르는, 이미징 방법을 향상시키는 데에 성공적으로 이용되어 왔다. 최첨단 기술의 보고서는 문헌 "Surface enhanced fluorescence", E. Fort 등, J. Phys. D: Appl. Phys. 41(2008)에서 부여되고, 이의 전체적인 개시는 여기서 참조로서 병합된다. 표면 향상된 형광에서, 플라스몬 표면의 존재는 방사체, 일반적으로 샘플에서 형광단(fluorophore)의 전자기 환경을 변경시킴으로써 분자 검출 효율을 현저하게 증가시킨다. 여기된 상태 분자의 총 붕괴율(total decay rate)은 광자 모드 밀도(PMD), 즉 결합할 수 있는 상태들의 개수를 증가시키는 구조물의 부근에 위치됨으로써 증가될 수 있다. 표면 플라스몬 폴라리톤(SPP)과의 결합으로 인한 PMD에서 증가는 에너지 손실 보상 및 과잉 보상에 대한 특정한 관심을 자극하여 왔다.
형광 염료와 같은, 여기된 방사체로부터의 유효 방사 붕괴율을 증가시키기 위하여, SPP를 복사 필드와의 외부결합하는 것이 필요하다. 이는 높은 굴절률 서브스트레이트(substrate) 또는 슈퍼스트레이트(superstrate) 물질로 달성될 수 있다. E. Fort 등에 의해 상기에 인용된 참조에서 개시된 바와 같이, 자주 사용된 셋업(set up)은 일반적으로 유리/금속/유전체를 적층한 3개-층을 허용하는, "크레취만 구성(Kretschmann configuration)"으로서 알려진다. 변경된 복사의 외부결합(outcoupling)은 유전체 슈퍼스트레이트보다 높은 굴절률을 갖는, 유리 프리즘을 통한다. 이런 접근법의 결점으로써, 프리즘의 기하학적 구조가 많은 대규모 또는 고집적 어플리케이션에 적합하지 않다. 더욱이, 비평면 및 광범위 서브스트레이트(예를 들어, 프리즘)의 가공이 보통 비현실적이고 비싸다.
대안적인 접근법은 서브-파장 단위 구조물로부터 SPP들의 스캐터링(scattering)에 따른다. 이런 서브-파장 구조물들은 입자, 거친 영역(rough area), 격자, 불연속부, 광자 밴드 갭, 금속 아일랜드(island) 등을 포함할 수 있다. 또한 국부적인 여기 필드 향상은 마이크로캐비티(microcavity), 나노입자에 대하여 국부화된 표면 플라스몬, 서브-파장 애퍼처(aperture), 플라스몬 나노-안테나, 또는 금속 프랙탈 구조물 또는, 금속 아일랜드에 대한 "핫 스팟(hot spot)"에 대하여 서술되어 왔다. 이런 경우에, 증가된 복사 방사는 주로 구조물 자체로부터 기인한다. 결과로서, 측면 해상도는 고감도 어플리케이션, 예를 들어 단일 분자 검출을 요구할 어플리케이션에 불리한, 스캐터링 장치의 설계에 의해 제한된다.
금속 나노구조물을 이용한 필드 향상을 위한 실시예로서, US 2010/0035335 A1은 생체분자의 고유 형광을 향상시키는 기술을 개시하되, 고체 서브스트레이트는 SiO2로 제조된 임의의 층이 제공될 수 있는 꼭대기 상에, 나노구조 금속층으로 코팅된다. 나노구조화된 금속층은 입자, 필름 등의 형태로 존재할 수 있다. 샘플은 복사 소스로 여기되고 형광은 디텍터(detector)로 측정된다.
알려진 표면 향상된 방사 기술의 앞서 언급된 결점들 중 적어도 일부를 감소시키거나 극복하는 것이 바로 본 발명의 목적이다. 특히, 고해상도 측정을 고려하여 층상 구조물의 부근에서 방사 특성을 효율적으로 변경하는 것이 본 발명의 목적이다.
이런 목적은 비금속 슈퍼스트레이트층(superstrate layer)과 비금속 서브스트레이트층(substrate layer) 사이에 개재된 금속층을 포함하는 층상 구조물을 허용함으로써, 초기에 정의된 바와 같은, 방법 및 층상 구조물을 위하여 달성되되, 적어도 금속층 및 슈퍼스트레이트층은 1나노미터 이하의 평균평방근 거칠기(root mean square roughness)를 갖는 매끄러운 인터페이스(interface)에 의해 분리되고, 금속층은 방사체의 방사 파장에 대하여 1/100과 1/20 사이의 두께를 갖는다.
따라서, 근접한 방사체의 근거리 필드 및 원거리 필드 방사 특성은 2개의 비금속층들, 즉, 서프스트레이트층과 슈퍼스트레이트 또는 꼭대기층 사이에 배열된 아주 얇고 매끄러운 금속층을 갖는 층상 구조물에 의해 변경된다. 방사체 또는 방사체들의 앙상블은 층상 구조물, 특히 슈퍼스트레이트층 상에 위치된다. 방사체들을 여기하기 위하여, 즉, 평형 기저 상태로부터 여기된 상태까지 방사체의 전자 구조물을 리프팅하기(lifting) 위하여, 적절한 여기 파장의 여기 복사가 사용된다. 층상 구조물의 존재에서, 적어도 하나의 방사 파장을 갖는, 여기된 방사체로부터 나오는 복사는 층상 구조물 없이 획득될 방사된 복사와 비교해서 변경된다. 층상 구조물의 변경 효과는 증폭, 예를 들어, 방사체의 방사 파장에서, 강도에서 증가를 포함할 수 있다. 하지만, 방사된 복사는 또한 방사된 복사의 각도 및 스펙트럼 분포에서 변화에 대하여 변경될 수 있다. 이어서 방사체로부터 변경된 복사는 장치의 입력으로써 검출, 측정 또는 사용될 수 있다. 층상 구조물에서, 서브스트레이트층 및 슈퍼스트레이트층은 비금속, 즉 유전체 또는 반도체 물질로 제조된다. 적어도 금속층과 비금속 슈퍼스트레이트층 사이의 인터페이스는 1나노미터(㎚)보다 작고, 바람직하게는 0.5㎚보다 작은 평균평방근(RMS) 거칠기를 갖는다. 바람직하게는, 또한 금속층과 서브스트레이트층 사이의 인터페이스의 RMS 거칠기는 1㎚보다 작다. 슈퍼스트레이트층의 표면은 요구된 평활도에 대한 상부 경계에 대하여 덜 임계적이다; 하지만, 또한, 이는 슈퍼스트레이트층의 표면이 1㎚보다 작은 RMS 평활도를 갖는다면, 바람직하다. 한편, 비금속 서브스트레이트층과 비금속 슈퍼스트레이트층 사이에 배열된, 금속층의 두께는, 방사체의 방사 파장에 의해 결정된다. 방사체의 방사 특성의 바람직한 변경/향상을 관찰하기 위하여, 금속층의 두께는, 층상 구조물의 존재에서 변경되는, 방사체의 방사 파장의 1/100 내지 1/20 사이이다. 이는 금속층이 평평한 인터페이스에서 이웃하는 비금속층들에 인접하는, 연속층에 의해 형성된다면 바람직하다. 금속층은 바람직하게는 어떤 측면 구조화가 없다. 슈퍼스트레이트층 및/또는 서브스트레이트층은 바람직하게는 평평하거나 구부러진 인터페이스를 갖는다. 더욱이, 이는 금속층이 방사체에 결합되는 표면 상태의 진행 거리에 따라 균일하다면, 바람직하다. 많은 종래 기술 방법들에서, 거친 표면/인터페이스 또는 다른 형태들의 불연속부는 표면 플라스몬 폴라리톤(SPP)을 진행파로 스캐터링하는 데에 사용되었다. 진행파는 복사하고 여기 방사 파장에서 비교적 약한 국부 필드 향상을 야기한다. 여기 필드에서 증가가 여전히 현저한 반면에, 이런 경우에 관찰된 향상은 주로 증가된 여기 필드로 인한 방사체 자체로부터 복사 방사에서 고유 증가와는 대조적으로 스캐터링된(복사하는) 표면 플라스몬으로 인한 것이다. 인접한 표면에서 불연속부는 또한 구조물로부터 SPP의 외부결합을 위한 수직 입사에서 SPP를 여기하는 방식으로써 사용되었다. 한편, 매끄러운 금속 필름이 일반적으로 형광을 크웬칭하는(quench) 것이 알려진다. 하지만, 본 발명의 중요한 양상으로서, 만약 아주 얇은 금속층이 2개의 비금속층들 사이에 배열되고 금속층과 비금속 슈퍼스트레이트층 사이의 인터페이스가 1㎚ 이하의 RMS 거칠기로 매끄럽다면 방사 특성의 바람직한 변경이 획득된다는 것이 의외로 발견되었다. 이런 층상 구조물의 존재에서 방사된 복사의 변경은 국부화되고 층상 구조물로부터 도달하는 표면 상태로부터 기인하여, 표면 상태와 방사체 사이의 결합이 향상된다. 추가적인 장점으로서, 비교적 간단한 층상 구조물은 비용 효율이 높은 생산을 위해 허용한다. 또한, 층상 구조물은 정확한 정량 측정 및 집적 어플리케이션이 달성될 수 있는, 바람직하게는 1미크론 미만의 범위에서, 높은 정확도로 생산될 수 있다. 더욱이, 층상 구조물은 층상 구조물의 존재에 의해 변경되는 방사 파장에 따라, 적절한 두께를 갖는 금속층을 제공하는 것을 포함하는, 특정 어플리케이션을 위하여 손쉽게 튜닝될(tuned) 수 있다.
본 발명의 바람직한 구체예에서, 매끄러운 인터페이스는 서브스트레이트층으로의 습윤층의 증착(deposition)에 의해 생산된다. 금속층과 비금속 슈퍼스트레이트층 사이의 인터페이스가 표면 여기(특히 표면 플라스몬 폴라리톤)의 파장의 단위로 매끄러워야 하기에, 많은 종래의 증착 기술(마그네트론 스퍼터링, 증발 등)은 종래의 작업 하에서는 요구된 인터페이스 평활도를 달성하지 않는다. 하지만, 금속층에 앞서 서브스트레이트 상에 Ge 또는 Cr과 같은, 습윤층을 증착하는 것이 10배보다 큰 값만큼 감소되는 (현재 형성된 바와 같은) 상부 금속 인터페이스의 평활도를 야기할 것이다. 결과로서, 1㎚보다 작은 RMS 거칠기에 의해 정의되는 요구된 인터페이스 평활도가 달성될 수 있다. 특히, RMS 거칠기는 0.4㎚보다 작을 수 있다. 바람직하게는, 현재 형성된 바와 같은 층상 구조물의 적당한 온도에서 추가적인 단시간 어닐링(annealing)은 추가로 인터페이스의 평활도를 향상시키고 또한 금속의 대량 유전체 손실을 현저하게 감소시킨다. 습윤층은 일반적으로 1 내지 2 ㎚보다 작은 두께를 갖는다.
또한, 최종 층상 구조물에서 슈퍼스트레이트층과 금속층 사이의 매끄러운 인터페이스는 템플릿 스트리핑 방법(template stipping method)으로 생산될 수 있다. 이러한 템플릿 스트리핑 방법은 그 자체가 종래 기술에서 알려지고 꽤 매끄러운 금속 필름들을 가공하는 데에 사용된다. 이런 방법에서, 금속 필름은 적절한 템플릿으로부터 스트리핑된다(stripped). 결과적인 표면의 평활도는 템플릿의 평활도에 따르고 결정축과 일치하는 템플릿 면 또는 실리콘 웨이퍼로부터 스트리핑하도록 옹스트롬의 단위일 수 있다.
본 발명의 특히 바람직한 구체예에서, 템플릿 스트리핑 방법은 습윤층과 함께 사용되어, 금속층의 양측은 이웃하는 비금속층들과 매끄러운(즉, 1 ㎚ 이하의 RMS 거칠기를 갖는) 인터페이스를 형성한다.
층상 구조물을 마련하기 위한 이런 결합된 기술에서 주요 단계들은 바람직하게는 다음과 같다:
1) 바람직하게는 Ge 웨이퍼로 제조된, 템플릿/습윤층을 준비하는 단계;
2) (필링을 용이하게 하기 위한 얇은 산화물층을 생성하도록) 임의로 피라냐 용액으로 템플릿/습윤층을 세정하는 단계;
3) 예를 들어, PVD에 의해 템플릿/습윤층의 꼭대기 상에 금속층을 증착하는 단계;
4) 그 위에 제 1 유전체 물질을 증착하는 단계;
5) (예를 들어, 폴리머로부터의) 접착층으로 제 1 유전체 물질을 덮음으로써, 서브스트레이트를 형성하는 단계;
6) 현재 템플릿/습윤층으로부터 형성된 바와 같이 층상 구조물을 필링하는 단계;
7) 금속층이 꼭대기에 존재하도록 현재 주위에 형성된 바와 같이 층상 구조물을 터닝하는(turning) 단계; 및
8) 신규로 형성된 금속 표면의 꼭대기 상에 제 2 유전체 물질(예를 들어, Si3N4)을 증착함으로써, 확정 층상 구조물을 획득하는 단계.
이런 경우에, 이는 게르마늄 웨이퍼가 습윤층으로서 취해진다면 바람직할 수 있다. 결과적으로, 금속층의 하부 인터페이스는 Ge 웨이퍼만큼 매끄러울 것인 반면에, 상부 인터페이스는 샘플(sample)이 Ge 습윤층 상에서 성장되었던 것만큼 매끄러울 것이다. 후자의 경우에 이유는 습윤층에 의해 달성된 평활도가 주로 습윤층이 얇고 그리고/또는 불연속적이다는 사실뿐 아니라 습윤층의 에너지 특성(자유 에너지)으로 인한 것이기 때문이다. 스트리핑 이전에 증착된 금속의 어닐링은 유전체 특성을 향상시키는 데에 사용될 수 있다.
층상 구조물의 부근에서 방사체로부터의 복사를 향상시키기 위하여, 이는 슈퍼스트레이트층의 유전율이 서브스트레이트층의 유전율과 상이하다면 바람직할 수 있어, 비대칭 층상 구조물이 형성된다. SPP의 컷-오프 에너지(cut-off energy)(Ec) 주위에서 준-연속 여기 스펙트럼을 갖는 방사체를 위하여, 층상 구조물을 위한 파라미터들이 바람직하게는 수식(1), (1a), (1b) 및 (1c)로 계산되되, 지수 i, j = 1, 2, 3, 4는 각각, 서브스트레이트층, 금속층, 슈퍼스트레이트층 및 방사체를 포함하는 매질을 나타내고, kzi는 i번째 층에 대한 파수벡터의 횡(즉, 층상 구조물에 수직) 성분이며, di는 i번째 층의 두께이고, m은 정수이며, εi는 i번째 층의 (실수부 및 허수부를 갖는) 복합 유전율이고, W+ 및 W-는 수식 (1a)에 의해 주어지고, R12는 (SPP들을 여기시키는 원인이 되는) P-폴라라이제이션을 위하여 수식 (1b)에 의해 주어지는, 프레넬 반사 계수이다.
파수벡터(kzi)는 수식 (1c)에 의해 주어지되, 지수 i = 1, 2, 3, 4는 다시금 각각, 서브스트레이트층, 금속층, 슈퍼스트레이트층 및 방사체를 포함하는 매질을 나타내고, ωc는 트랜지션 에너지(Ec)에 비례하는, 방사체의 여기된-기저 상태 트랜지션 주파수이며, c는 광속이다. ωc의 값은 방사체의 유한 방사 스펙트럼 내에 위치해야만 하고, 바람직하게는 피크 자유-공간 복사 방사 주파수에 근접한다.
층 1(layer 1) 및 층 4(layer 4), 즉, 서브스트레이트층 및 방사체를 바로 둘러싸는 매질은, 크기가 반무한인 것으로 취해진다. 층상 구조물을 치수화하기 위하여 수식 (1) 내지 수식 (1c)을 이용하는 것은 방사된 복사의 증가된 강도를 야기한다. 표 1은 수식 (1) 내지 수식 (1c)로 착수된 조건들을 따르는 층-2(layer-2)(금속층) 및 층-3(layer-3)(높은-ε 슈퍼스트레이트층)을 위한 3개의 바람직한 파라미터 결합들을 나타낸다. 트랜지션 주파수(ω)는 트랜지션 에너지(eV)에 대하여 주어진다.
표 1의 바람직한 실시예에서, 서브스트레이트층(i=1) 및 방사체를 포함하는 매질(i=4)은 각각, 석영(ε1 = 2.13) 및 침액 오일(immersion oil)(ε4 = 2.45)이다.
바람직하게는, 금속층은 은, 금, 팔라듐, 니켈, 크롬, 알루미늄, 알루미늄-아연-산화물, 갈륨-아연-산화물, 카드뮴 또는 이의 합금 또는 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 금속 물질에 의해 형성된다. 이런 금속층들은 근자외선부터 전기통신용 파장까지의 범위에 있는 방사 파장으로 복사를 향상시키는 데에 특히 적절하다. 많은 경우들에는, 은/금 또는 카드뮴/금을 포함하는 합금이 바람직할 수 있다.
방사 파장의 폭넓은 범위에 걸쳐 방사체의 방사 특성을 향상시키기 위하여, 이는 만약 비금속 슈퍼스트레이트층이 알루미늄 산화물, 실리콘 이산화물, 티타늄 이산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 탄화물, 또는 폴리머로 이루어진 그룹으로부터 선택된 물질에 의해 형성된다면 바람직하다. 따라서, "로드(load)" 또는 슈퍼스트레이트층을 위한 가능한 유전체 물질은 유전율에 대한 값들의 비교적 큰 범위에 걸쳐 늘어난다. 슈퍼스트레이트층을 위한 물질은 바람직하게는 샘플 매질 및 서브스트레이트층의 물질에 따른다. (유전율 ε < 2.2를 갖는) 낮은 유전율 서브스트레이트의 경우에 대하여, 슈퍼스트레이트층은 바람직하게는 알루미늄 산화물, 실리콘 이산화물, 티타늄 이산화물, 및 다른 낮은-ε 게이트 유전체로 제조된다. 또한, 유기 또는 무기 폴리머를 사용하는 것이 바람직할 수 있다. (유전율 ε > 2.2를 갖는) 더 높은 유전율 서브스트레이트층에 대하여, 실리콘 질화물, 실리콘 탄화물, 또는 높은-k 게이트 유전체와 같은, 비교적 높은 유전율을 갖는 유전체 슈퍼스트레이트층을 제공하는 것이 바람직하다. 주어진 유전체 물질은 바람직하게는 이전에 나열된 금속 물질과 결합되고, 비교할만한 파장 범위에서 사용될 수 있다.
방사 특성의 변경은 250 ㎚와 1600 ㎚ 사이, 바람직하게는 405 ㎚와 600 ㎚ 사이의 방사 파장에서 방사체가 복사를 방사하는 경우에 특히 표명된다. 따라서, 이런 바람직한 구체예는 방사체로부터 발생하는 가시광의 향상 또는 변경을 포함한다.
본 발명의 바람직한 구체예에서, 층상 구조물의 부근에서 방사체로부터 변경된 복사는 방사체를 포함하는 샘플의 이미징에 사용된다. 이런 경우에, 방사체로부터의 복사는 이미징 시스템을 통해 검출되고 샘플의 이미지를 획득하는 어떤 알려진 방법으로 처리된다. 방사체의 부근에서 층상 구조물의 존재는 방사된 복사의 방사 특성을 변경한다. 특히, 샘플로부터의 복사에서 증가된 강도는 획득된 이미지의, 해상도, 특히 측면 해상도를 증가시키는 데에 사용될 수 있다.
바람직하게는, 샘플의 이미징은 층상 구조물의 슈퍼스트레이트 상에 위치되는 방사체를 포함하는 샘플로부터 복사를 변경시키기 위한 층상 구조물로 이루어지거나 코팅되는, 현미경 슬라이드(microscope slide)를 포함하는 현미경 배열체로 수행된다. 따라서, 층상 구조물을 포함하는 현미경 슬라이드를 이용함으로써 현미경 아래에서 검사를 향상시키는 것이 가능하다. 바람직한 구체예에서, 현미경 슬라이드는 이전에 서술된 바와 같이 층상 구조물로 코팅된, 바람직하게는 석영으로 제조된, 서브스트레이트 플레이트를 포함한다.
방사체를 포함하는 샘플을 이미징하는 층상 구조물의 어플리케이션에서, 이는 방사체가 형광광을 방사하는 형광단, 특히 형광 염료라면, 바람직하다. 층상 구조물의 설계는 층상 구조물에서 SPP들이 스캐터링하지 않으나 국부화되는 것을 보장한다. 결과로서, 방사체의 방사/여기 파장은 컷-오프 에너지에 근접할 수 있어, SPP들은 슈퍼스트레이트층 위의 영역으로 발산할 수 있다. 이런 영역에서, 이어서 다수의 방사체들이 SPP들을 여기시킬 수 있어, 향상된 필드가 인터페이스 근처에서 발생한다. 따라서, 인터페이스로부터의 특정 거리에서 방사체들은 일반적으로 매끄러운 금속층에 대하여 예측될 바와 같이, 크웬칭 대신에 향상된다. 본 발명의 중요한 양상에 따라, 비교적 다수의 방사체들이 SPP들에 결합될 수 있음으로써, 슈퍼스트레이트층으로부터의 거리에 따라 점차 감소하는, 강한 필드를 생성한다. 보통, 고유 복사를 증가시키기 위하여, 여기 에너지가 높아진다. 한편, 본 발명의 바람직한 구체예에서, 층상 구조물로부터 더 이격된 방사체들은 층상 구조물에 더 근접한 방사체들에 대하여 여기 에너지를 현저하게 증가시킬 수 있다. 따라서, 구성은 층상 구조물에 더 근접한 방사체들의 펌핑(pumping)을 위해 허용할 수 있다. 결과로서, 층상 구조물의 표면에 수직인 방사체들 사이의 상대적인 변경/향상이 획득되고, 이는 방사체의 방사 특성의 향상된 전체적인 변경을 야기한다. 변경/향상 효과가 많은 종래 기술 구성에 대하여 제공된 바와 같이, 불연속부(나노구조물들, 격자들, 아일랜드 등) 또는 거친 인터페이스들의 경우에 사라질 것이기에, 이런 효과는 얇은 금속층과 슈퍼스트레이트층 사이의 인터페이스가 매끄러운 조건 하에서만 달성된다.
본 발명의 다른 바람직한 구체예에서, 층상 구조물의 부근에서 방사체로부터 변경된 복사는 방사체의 위치를 결정하고 그리고/또는 방사체와 층상 구조물 사이의 거리를 측정하는 데에 사용된다. 예를 들어, 세포들(예를 들어, 섬유 아세포)은 2개의 상이한 접착 위치에서 형광 마커(marker)(예를 들어, 녹색 형광 단백질, GFP)로 마킹될(marked) 수 있다. 이어서 장파장 방사에 대한 단파장 방사에서 변화는 층상 구조물로부터 거리를 추론하는 데에 사용될 수 있다. 샘플의 부근에서 층상 구조물로 달성된 증가된 해상도로 인해, 꽤 높은 정확도로 마킹된 세포들의 역학 관계를 연구하는 것이 가능하다.
본 발명의 또 다른 구체예에서, 층상 구조물의 부근에서 방사체의 방사 특성의 변경은 대역 통과 또는 대역 소거 필터링에 사용된다. 층상 구조물의 존재에서, 연속 대역 여기 필드의 더 높은 주파수는 감쇠되는 반면에, 중간 또는 더 낮은 주파수의 대역에서 반사된 에너지는 상기에 서술된 바와 같이 층상 구조물로 달성된 향상 효과로 인해 증폭된다. 일반적으로, 특정 하부 스레시홀드(threshold) 아래의 주파수도 감쇠된다. 따라서, 여기 필드는 방사체로부터의 복사에서 필터링된 스펙트럼을 산출하는, 대역 통과/대역 소거 필터링을 겪는다. 이런 효과는 원칙적으로 필터링된 출력 복사로의 광대역 입력 복사의 변환에 따라 상이한 어플리케이션(광학 장치 등)에 사용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 구체예에서, 층상 구조물의 부근에서 방사체의 복사 특성의 변경은 방사체로부터의 복사의 유도 방사(stimulated emission)에 사용된다. 이런 경우에, 층상 구조물의 존재는 복수 개의 방사체들 사이에서 반전 분포(population inversion)를 야기하고, 이는 층상 구조물로부터 더 이격된 방사체들을 통한 층상 구조물에 근접한 방사체들의 펌핑으로 인한 것이다. 이전에 윤곽이 보여진 바와 같이, 이런 효과는 2개의 비금속층들 사이에 매끄러운 인터페이스를 갖는 아주 얇은 금속층을 제공함으로써 달성된다. 결과로서, 층상 구조물은 유도 방사, 특히 레이징(lasing), 스페이싱(spasing) 또는 유사한 기술에 따른 모든 종류의 장치들에 사용될 수 있다.
하기에서, 본 발명은 이에 제한되지 않고, 도면들에서 도시된 바람직한 예시적인 구체예를 통해 더 상세하게 설명될 것이다. 상세하게, 도면들에서:
도 1은 본 발명에 따른 인접한 방사체로부터의 복사를 변경하는 층상 구조물을 개략적으로 도시한다.
도 2는 도 1에 따른 층상 구조물의 존재에서 형광 염료로부터 나오는 복사의 향상의 도시하는 자블론스키 에너지 다이어그램을 도시한다.
도 3은 도 1에 따른 층상 구조물을 가로지른 장 범위의 표면 플라스몬 폴라리톤에 대한 횡 자기장 프로파일을 개략적으로 도시한다.
도 4는 도 1에 따른 층상 구조물의 꼭대기 상에서 방사체로부터 복사를 검출하는 장치를 개략적으로 도시한다.
도 5는 각각, 도 1에 따른 층상 구조물 및 종래 서브스트레이트에 대한 NIH 3T3 세포들에서 형광 염료 표지된 팍실린의 이미지들을 도시한다.
도 6a는 도 1에 따른 층상 구조물에 대한 형광 비드를 위하여 획득된 방사 스펙트럼을 도시한다.
도 6b는 방사 파장의 함수로서 도 6a의 방사 스펙트럼에서 변화를 도시한다.
도 7은 종래 석영 서브스트레이트 상의 형광 비드의 방사 강도(패널 a), 및 형광 비드가 도 1의 층상 구조물 상에 위치된 경우에 방사 강도(패널 b)를 도시한다.
도 8은 각각, 도 1에 따른 층상 구조물의 존재 및 부재에서 형광 비드의 상이한 방사 파장에 대한 광자 강도 분포의 플롯을 도시한다.
도 9는 종래 기술의 구성에 따른 얇고 매끄러운 금속 필름 상에 형광단으로부터의 측정된 형광을 도시한다.
도 10은 B16 섬유 아세포에 대한 GFP 표지된 팍실린의 역학 관계를 도시한다.
도 11은 도 1에 따른 층상 구조물과 함께 여기 복사의 대역 통과 필터링을 개략적으로 도시한다.
도 1은 본 발명에 따른 인접한 방사체로부터의 복사를 변경하는 층상 구조물을 개략적으로 도시한다.
도 2는 도 1에 따른 층상 구조물의 존재에서 형광 염료로부터 나오는 복사의 향상의 도시하는 자블론스키 에너지 다이어그램을 도시한다.
도 3은 도 1에 따른 층상 구조물을 가로지른 장 범위의 표면 플라스몬 폴라리톤에 대한 횡 자기장 프로파일을 개략적으로 도시한다.
도 4는 도 1에 따른 층상 구조물의 꼭대기 상에서 방사체로부터 복사를 검출하는 장치를 개략적으로 도시한다.
도 5는 각각, 도 1에 따른 층상 구조물 및 종래 서브스트레이트에 대한 NIH 3T3 세포들에서 형광 염료 표지된 팍실린의 이미지들을 도시한다.
도 6a는 도 1에 따른 층상 구조물에 대한 형광 비드를 위하여 획득된 방사 스펙트럼을 도시한다.
도 6b는 방사 파장의 함수로서 도 6a의 방사 스펙트럼에서 변화를 도시한다.
도 7은 종래 석영 서브스트레이트 상의 형광 비드의 방사 강도(패널 a), 및 형광 비드가 도 1의 층상 구조물 상에 위치된 경우에 방사 강도(패널 b)를 도시한다.
도 8은 각각, 도 1에 따른 층상 구조물의 존재 및 부재에서 형광 비드의 상이한 방사 파장에 대한 광자 강도 분포의 플롯을 도시한다.
도 9는 종래 기술의 구성에 따른 얇고 매끄러운 금속 필름 상에 형광단으로부터의 측정된 형광을 도시한다.
도 10은 B16 섬유 아세포에 대한 GFP 표지된 팍실린의 역학 관계를 도시한다.
도 11은 도 1에 따른 층상 구조물과 함께 여기 복사의 대역 통과 필터링을 개략적으로 도시한다.
도 1은 층상 구조물(layer structure)(1)의 표면 상태(surface state), 특히 표면 플라스몬 폴라리톤(surface plasmon polariton)과 방사체(emiiter)(2)의 여기된 전자 구조물 사이에서 결합함으로써 층상 구조물의 부근에 위치된 여기된 방사체(2)로부터 방사된 복사를 변경하기 위한 층상 구조물(1)을 도시한다. 방사체(2)는 파장(λ)(또는 여기 파장(λ)들의 대역)을 갖는 여기 복사에 의해 여기되고; 방사 파장(λ')(또는 방사 파장(λ')들의 대역)을 갖는 복사는 방사체(2)로부터 나온다. 층상 구조물(1)은 비금속 슈퍼스트레이트층(superstrate layer)(4)과 비금속 서브스트레이트층(substrate layer)(5) 사이에 개재된 금속층(3)을 포함하고; 도시된 구체예에서, 금속층(3)은 금속 습윤층(3")(예를 들어, Ge)에서 성장된 금속층(3')(예를 들어 Ag)을 포함한다. 슈퍼스트레이트층(4)은 그 위에 방사체(2)를 위치시키기 위한 평평한 표면(6)을 갖는다. 도 1로부터 도시된 바와 같이, 서브스트레이트층(5)과 금속층(3) 뿐 아니라, 금속층(3)과 슈퍼스트레이트층(4)은, 각각, 평평한 인터페이스(interface)들(7, 8)에 의해 분리된다. 금속층(3)은 층상 구조물(1)의 평면에서 어떤 측면 구조화가 없다. 도시된 구체예에서, 적어도 금속층(3)과 슈퍼스트레이트층(4) 사이의 인터페이스, 바람직하게는 또한 슈퍼스트레이트층의 표면(6) 및 서브스트레이트층(5)과 금속층(3) 사이의 인터페이스(7)는, 1㎚ 이하이고 바람직하게는 0.5㎚보다 작은, 평균평방근 거칠기(root mean square roughness)(Δx)로 매끄럽다. 금속층(3)은 도 2와 도 3에 대하여 하기에 설명될 바와 같이, 층상 구조물(1)의 존재에서, 바람직하게는, 변경되고, 특히 향상되는, 방사체(2)의 방사 파장(λ')에 대하여 1/100과 1/20 사이의 두께를 갖는다. 슈퍼스트레이트층(4)과 서브스트레이트층(5)은 비대칭 층상 구조물(1)을 획득하도록 상이한 유전율을 갖는, 제 1 및 제 2 유전체 물질(예를 들어, 슈퍼스트레이트층(4)을 위하여 실리콘 질화물 및 서브스트레이트층(5)을 위하여 석영)로 제조된다.
도시된 층상 구조물(1)로 달성가능한 방사 복사의 변경은 높은 펌핑 강도, 복합 3차원 형상의 결합 셋업(일반적으로 프리즘 모양 꼭대기 구조물 등), 및 측면 구조화된 금속 구조물에 따른, 표면 향상된 형광의 분야에 알려진 구성의 결점을 극복한다. 도시된 구성에서, 방사체(2)로부터의 변경된 복사 방사는 층상 구조물(1)보다 방사체(2) 자체로부터 기인하여, 얇은 연속 금속 및 유전체 필름들에 대하여 달성가능한 균질성을 넘는 - 측면 해상도에 대한 어떤 추가적인 제한도 - 방사체가 국부화될 수 있는 것으로 도입되지 않는다.
본 발명의 중요한 양상에 따라, 층상 구조물(1)은 유전체 서브스트레이트층(5), 금속층(3) 및 유전체 슈퍼스트레이트층(4)을 포함하는 비대칭 층상 구조물(1)에 의해 지지된 장범위 표면 플라스몬 폴라리톤(LRSPP) 모드에서 그렇지않는 보통 원치않는 에너지 컷 오프(Ec)를 사용하게 한다. 또한 도시된 설계는 많은 방사체(2)들, 예컨대 일반적인 형광 염료가 효율적으로 이에 여기될 수 있고 이를 통해 완화될 수 있는, 유한 개수의 여기된 에너지 트랜지션(excited energy transition)에 따른다. 도시된 층상 구조물(1)에서, 에너지 컷-오프(Ec)는 방사체(2)의 가장 낮은 여기 상태 위이나 충분하게 큰 프랑크-콘돈(Franck-Condon) 계수를 갖는 더 높은 여기된 상태 아래에서 발생하여, 지지된 표면 플라스몬 폴라리톤 여기는 추가로 가장 낮은 여기된 상태를 펌핑하도록 작용할 수 있다. 이는 더 높은 측면 해상도 국부화를 위해 허용하는 증가된 방사 강도를 야기하고 유도 방사를 실현하는 것을 위해 허용한다.
도 2는 형광 염료의 실시예에 대한 효과를 모델링하는 자블론스키 에너지 다이어그램을 도시한다. 간단하게, 형광 염료는 3개의 상태들만을 갖는 것으로 추정된다: i = 0, 1, 2를 갖는 Ei, 여기서 E0는 기저 상태이고, E1과 E2는 제 1 및 제 2 여기 상태이다. 하지만, 층상 구조물(1)로 달성된 변경 효과가 이에 따라 상이한 구성에 대하여 모델링될 수 있다는 것이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다. 더욱이, 다이어그램은 또한 (자블론스키 다이어그램에서 절대 에너지와는 대조적으로) 상태들 사이에서 에너지 차이만이 설명되는 트랜지션 에너지 다이어그램으로서 이해될 수 있다. 2개의 여기된 상태들(E1, E2)은 에너지들이 E1 = Ec + δ/2이고 E2 = Ec + δ/2이며, Ec는 SPP 모드 컷-오프 에너지(Ec)이다. 양(δ)은 여기된 진동/회전 에너지 상태들 사이의 대략 간격인 것으로 추정된다. 더 높은 여기된 상태 및 더 낮은 여기된 상태의 임의 개수는 Ec의 부근에서가 아닌 더 높은 여기된 상태들이 비복사로 구조물에 결합될 것인 반면에, 더 낮은 상태들이 복사로 붕괴할 수 있는 가장 낮은 여기된 상태에 도달할 때까지 내부 변환을 겪을 것이다는 것을 추정하는 것이 포함될 수 있다. 비복사 층상 구조물에 결합될 때, 임의 여기 스펙트럼(E(ω))에 대한 주파수(ω')를 갖는 이러한 형광 염료로부터의 측정가능한 복사 방사 강도는 수식 (2)로부터 획득될 수 있다.
여기서, 
는 i번째 여기된 상태에 대한 여기 쌍극자 모멘트이고, 
는 상태들(i, j) 사이에 복사(비복사) 트랜지션율이며, 
는 
에 의해 주어진 상태(i)의 총 붕괴율이고, 여기서 
는 구조물의 부재에서 총 붕괴율이며, 
은 구조물로 인한 붕괴율에서 증가이고, bij(ω')는 ω =ω'에서 평가된 ω = ωij에서 중심이 있는 로렌츠에 의해 주어진 복사 확장이며, 
는 상태들(i, j) 사에서 프랑크-콘돈 계수이다. 수식(2)에서 첫번째 라인은 여기로부터 상태(E1)까지의 기여(contribution) 및 상태(E1)에 대한 복사 붕괴이고, 두번째 라인은 (각각, 직접 E1을 통해) 여기부터 E2까지의 기여 및 상응하는 복사 붕괴이다. 간단하게, 단지 자연스러운 복사 붕괴가 고려되고, 모든 다중-광자 이벤트들, 3중선 상태 결합 및 광퇴색(photobleaching)이 무시된다. 유니티(unity)의 총 양자 효율이 또한 추정된다. 수식 (2)에서 끝항, 
은 층상 구조물을 통한 제 1 여기된 상태와 제 2 여기된 상태 사이의 결합으로부터 기인한다. 이는 인터페이스에 근처에서 높은 필드 강도로 인해 충분한 것으로 보여질 수 있다(석영/Ge/Ag/Si3N4/H20를 포함하는 최적화된 층상 구조물에서 횡 자기장 크기의 거리 의존성의 경우에 대한 도 3을 참조). 또한 이는 훨씬 감소된 수명 및 이에 따른 현저한 에너지 확장을 야기하고, 수식 (3)에 의해 주어진다.
여기서, 용어 
는 유한 수명의 결과인, 공진으로 여기된 모드에 대한 유한 에너지 폭을 설명한다. SPP 공진을 위하여, 이는 로렌츠 
에 의해 추정될 수 있다.
층상 구조물의 존재로부터 붕괴율에 대한 변경은 ~10㎚보다 큰 방사체-슈퍼스트레이트 거리 및 작은 방사체들에 대한 전체 양자 기계적 처리에 비교할만한 결과를 산출하는 전통적인 쌍극자 처리를 이용하여 양호한 정확도로 획득될 수 있다. 수직(⊥) 및 평행(∥) 배향된 쌍극자의 경우에 대하여, 붕괴율에서 증가는 수식 (5)에서와 같이 기록될 수 있다.
수식 (5)에서, 반사 필드(ER)는 수식 (6)과 수식 (7)에 의해 주어진다.
수식 (5)에서, 
는 층상 구조물(1)의 존재에서 붕괴율이고, z'는 층상 구조물(1)과 형광 염료 사이의 거리이며, μ는 쌍극자 모멘트이고, rp 및 rs는 변환 행렬들(즉, 프레넬 방정식들)로부터 결정될 수 있는 p-폴라라이제이션 반사 계수 및 s-폴라라이제이션 반사 계수이다. 상태(i)의 총 붕괴율은 
에 의해 주어질 것이되, 수식 (6) 및 수식 (7)에서 적분 범위는 [u+, u-] = [0, ∞] 이다. 특정 모드로부터의 기여를 위하여, 한도는 모드 손실, 즉, 
모드에 대한 
에 의해 결정된 바와 같이 모든 횡 파수벡터 폭에 의해 정의된다.
방사체로부터의 총 측정가능 복사 붕괴율은 
이되, 
는 수식 (5)와 수식 (2)에 의해 주어진다. 결국, 반사 필드(ER)의 양 성분들에 대하여, 수식 (8)과 수식 (9)가 획득된다.
여기서, 적분 한도는 α = sinθmax이고, θmax는 최대 검출 각도이다. 이는 컷-오프 에너지의 부근에서 수식 (5) 내지 수식 (9)의 강한 주파수 의존성으로 인한 도시된 층상 구조물의 존재의 결과로서 적절한 대물 렌즈로 방사 스펙트럼의 변경을 측정함으로써, 어느 것이 나노층과 다중-레벨 방사체 사이의 분리를 추론하는 것을 따른다.
따라서, 도 2의 자블론스키 에너지 다이어그램은 방사체(2)의 여기된 상태들이 E > Ec 및 E < Ec에 대하여 상이하게 비대칭 층상 구조물에 결합되는 형광 염료에 대하여 입증한다(Ec는 SPP 컷-오프 에너지이다).
도 2의 하부 패널들은 (컷 오프 에너지(Ec) 위 및 아래의) 경계(bound)-대칭 
, 경계-반대칭 
, 및 구멍이 난 대칭 
모드들에 대한 횡 자기 진폭(Hy)에 따라, 층상 구조물(1)(형광 방사체(2)는 μ에 의해 표시된다)을 개략적으로 도시한다. 화살표들은 방사체(2)에 결합할 때 에너지 흐름의 방향을 나타낸다.
상기에 언급된 3개의 상태 모델에서, 향상된 방사는 주파수(ω01) 주위에만 발생한다. 하지만, 심지어 실제 다중-여기된 레벨 방사체의 경우에 대하여, 어느 것이 트랜지션 E < Ec에 대하여 상대적인 향상을 예측할 것이다. 따라서 강도에서 이런 크기 증가는 도 3으로부터 획득될 수 있는 바와 같이, 높은 정확도에 대하여 금속층과 형광 염료 사이의 거리를 추론하는 데에 사용될 수 있다(또한 도 11을 참조).
도 3은 자기 진폭(Hy)의 크기의 거리 의존성을 나타내는, 꼭대기 상에 방사체(2)를 포함하는 샘플 매질(예를 들어 물) 및 층상 구조물을 가로지른 횡 자기 진폭(Hy)을 도시한다.
도 4는 방사체(2)로부터 나오는 복사(예를 들어, 형광단)를 검출하는 이미징 방법을 수행하기 위한 배열체(9)의 개략도를 도시한다. 방사체(2)는 층상 구조물(1) 위에 배열된다. 방사체(2)(또는 복수 개의 이러한 방사체(2)들)를 홀딩하는 층상 구조물(1)은 석영으로 제조되는 종래의 현미경 슬라이드일 수 있는, 적절한 서브스트레이트(10) 상에 코팅의 형태로 바람직하다. (예를 들어, 방사체(2)로 얼룩진 시편 예를 들어, 형광 염료 또는 마커의) 형광 이미지는 형광 현미경 셋업 내에서 반사되거나, 투과되거나, 사라지는(evanescent) 조사에 의해 발생된다. 배열체(9)는 방사체(2)를 여기하기 위한 여기 복사로서 사용되는, (레이저) 광(특히 가시광)을 방사하는 광원(11)(예를 들어, 램프 또는 레이저)을 포함한다. 색선별 거울(12)이 방사체(2)의 방향으로 (바람직하게는 협대역) 여기 복사를 반사시키기 위하여 제공된다. 여기 복사는 대물 렌즈(13)로 초점이 맞춰진다. 초점이 맞춰진 레이저 복사는 상기에 서술된 바와 같이 층상 구조물(1)로 코팅된 투명한 서브스트레이트(10) 위에 위치되는, 방사체(2)에 가해진다. 배열체(9)는 방사 파장(λ) 부분을 위한 방사 필터(14)를 더 포함한다. 튜브 렌즈(15)는 실제 이미지를 형성하기 위하여 배열된다. 형광광 또는 관련된 복사 현상(인광 등)일 수 있는, 방사체(2)로부터 나오는 복사가 디텍터(detector)(16)로 검출된다. 스테이지(stage)(17) 및/또는 스캐닝 거울 시스템(18)은 방사체(2)들의 앙상블을 포함하는 시편을 스캐닝하면서, 상호 간에 대하여 시편 및 레이저광을 이동시키는 것을 허용하도록 제공된다.
실시예
A:
제 1 실시예서, 5 ㎚ 내지 25 ㎚의 두께를 갖는 (바람직하게는 Ag로 제조된) 금속층(3)은 (또한 PVD를 이용하여 증착된) 1 ㎚ 내지 2 ㎚ 두께 Ge 습윤층(3") 코팅된 석영 또는 유리 서브스트레이트(5, 10)의 꼭대기 상에 표준 물리증착법(PVD) 기술을 이용하여 가공되었다. "로드" 슈퍼스트레이트층(4)을 위하여 고순도 Si3N4는 PVD에 의해 금속층(3) 상에 증착되었다. 층상 구조물(1)의 개별층들의 두께에서 정확도는 타원계측법(elipsometry)을 이용하여 원위치 석영 결정 두께 모니터 측정 및 후 가공 측정 모두에 의해 결정된 바와 같이, 나노미터 범위 아래였다. AFM 탭핑(tapping) 모드 측정에 의해 결정된 바와 같이, 거칠기는 Ag 인터페이스(8)에 대하여 0.4 ㎚(RMS)보다 작았다. (또한 AFM에 의해 측정된) 석영 서브스트레이트(5, 10), Ge 습윤층(3") 및 "로드" 유전체 슈퍼스트레이트층(4)의 표면(6)의 상응하는 거칠기는 모두 0.5 ㎚(RMS)보다 작았고, 이는 방사체(2)로부터 나오는 복사의 변경에 바람직한 효과를 관찰하는 데 적합한 것으로 입증되었다.
검사 하에서 시편의 마련을 위하여, (아메리칸 타입 컬쳐 컬렉션으로부터) NIH 3T3 생쥐 섬유 아세포 및 B16F1 생쥐 멜라노마 세포들은 5% CO2의 존재에서 37℃에서 1% 페니실린, 1% 스트렙토마이신, 1% 글루타민 및 10% 소태아혈청(fetal calf serum)(PAA 연구소)으로 보충된 높은 글루코스 둘베코의 변형 이글 배지(Dulbecco's modified eagle medium; DMEM)로 유지되었다.
이어서 마련된 세포들은 추가로 25 ㎎/㎖ 라이민(씨그마알드리치, 오스트리아)으로 코팅되었고 적어도 4 시간 동안 37℃에서 배양되었던 석영 서브스트레이트 코팅된 층상 구조물(1) 상에서 재배되었다. 동시에 세포들은 세포골격 완충제(CB: 10 mM MES, 150 mM NaCl, 5 mM EGTA, 5 mM 글루코스, 및 5 mM MgCl2, pH 6.1)에서 4% 파라포름알데히드로 15분 동안 고정되었고 1분 동안 CB에서 0.2% 트리톤 X-100으로 추출되었다. 면역염색법(immunostaining)은 PBS 완충제에서 1% BSA(소혈청 알부민)으로 희석도 1:1000, 팍실린(BD 트랜스덕션 연구소)에 반하는 단일클론 생쥐 항체를 이용하여 수행되었다. 2차 항체(희석도 1:750)는 (인비트로젠(Invitrogen)에 의한) Alexa488에 결합된 염소 안티-생쥐 항체(goat anti-mouse antibody)였다.
베이스로서 상기에 서술된 코팅된 서브스트레이트를 이용한 샘플들에 대한 형광 현미경 관찰이 수행되었다. 시험 샘플들은 서브스트레이트 상에 얇게 코팅되고 희석된 개별 염료 또는 형광 비드로 이루어졌다. 생세포들은 라미닌 코팅된 서브스트레이트 상에서 배양되었다. 연구된 트라이폰(Trypon)의 경우에 대하여 이익이 있었던 바와 같이 - 고정된 세포들의 상부 표면 상의 구조체들을 관찰하기 위하여 - 셋업은 셀의 꼭대기 상에 층상 구조물(1)을 배치하는 것 및 세포가 성장되었던 얇은(< 0.3 ㎚) 커버 유리 및 세포를 통해 이미징하는 것으로 이루어진다. 모든 형광 연구는 (63× 1.4NA 액침 대물렌즈를 이용한) 자이스 LSM 710 또는 (63× 1.2NA 수침 대물렌즈를 이용한) 변경 자이스 Z1.옵저버 중 어느 하나에 대한 표준 커버 클래스(도 3을 참조)를 통해 수행되었고 (Andor iXon+) EMCCD 카메라로 수집되었다. 셋업 및 포착은 각각, 전자 및 후자 셋업을 위한 커스텀 랩뷰 프로그램에 의하거나 자이스 젠 플랫폼에서 사용하여 제어되었다. 400 ㎚, 465 ㎚, 525 ㎚의 파장들에서 조사는 LED 소스들(Precisexcite, COOLED™), 및 크립톤/아르곤 혼합 가스 레이저(488 ㎚ 및 568 ㎚) 및 청색 다이오드 레이저(405 ㎚)를 이용한 간섭성 여기를 이용하여 제공되었다. 분석 및 관련된 필터링은 매트랩(매스웍스, 미국)을 이용하여 수행되었다.
섹션닝(sectioning)은 측정된 방사 스펙트럼에 대하여 수식 (1) 내지 수식 (9)에 기초한 수치 분석을 수행함으로써 달성되었다. 후자는 자이스 LSM 710 현미경에 부착된, λ = 450 ㎚ → 800 ㎚의 범위에 걸쳐 3 ㎚ 해상도를 갖는 광전자증배관(PMT) 어레이(QUASAR-Quiet 스펙트럼 어레이, 자이스)를 이용하여 측정되었다.
도 5는 NIH 3T3 세포들에서 (접착 위치에서 발견된) Alexa488(인비트로젠) 표지된 팍실린의 이미지들을 도시한다. 좌측부터 우측으로, 도 5는 각각, 코팅되지않는 서브스트레이트 (a), 수성 용액으로 (녹색 형광을 위하여 최적화된) 층상 구조물(1) 코팅 (b), 및 일반적인 침액 오일의 굴절률을 갖는 봉입제(mounting medium)로 층상 구조물(1) 코팅 (c)로 획득된 이미지들을 도시하고; 하부 패널들은 세포들의 DIC/위상 콘트라스트 이미지들을 도시한다. 이미지들은 1.2 NA 액침 대물렌즈를 갖는 공초점 이미지들(1 에어리 유닛 핀홀(Airy unit pinhole))이다. 간섭성 여기는 488 ㎚의 파장에서 존재한다.
실시예
B
n = 1.56 봉입제(인비트로젠)로 희석된, 형광 분자들 및 작은 단일 및 다색 형광(적색, 녹색, 청색) 비드들은 층상 구조물(1)로 코팅된 서브스트레이트 상에 피펫되었고(pipeted) 이를 통해 이미징이 수행되었던 종래의 커버 슬립으로 덮였다. 이미징 및 스펙트럼 분석은 실시예 A에 대하여 상기에 서술된 바와 같은 배열체(9) 및 기술을 이용하여 수행되었다.
도 6a는 표 (1)에서 마지막 항목에 의해 주어진 파라미터들을 갖는 석영/Ge/Ag/Si3N4 층상 구조물(1) 상에 녹색 비드들의 측정된 방사 스펙트럼(인비트로젠 Multispec™)을 도시한다. 63× 1.4NA 유침 대물렌즈를 통한 이미징 및 간섭성 소스(11)로부터의 시야가 넓은 여기 복사가 사용되었다. 도 6a로부터 획득될 수 있는 바와 같이, 방사된 복사는 종래의 설계(20에 표시된, 하측 라인 참조)로 획득된 복사와 비교하여 층상 구조물(1)(19에 표시된, 상측 라인 참조)에 의해 현저하게 향상된다.
도 6b는 방사 파장(λ')의 함수로서 방사 스펙트럼에서 변화를 도시한다. 증가하는 파장(λ')에 따른 방사 복사에서 감소율은 방사체(2) 즉, 형광단과 층상 구조물(1) 사이의 거리를 추론하는 데에 사용될 수 있다. 맞춰진 곡선들은 10 ㎚만큼 변하는 상이한 거리 파라미터들을 갖는 사각형 표시가 된 로렌츠이다. 중간 곡선은 이런 데이터 세트에 대한 최상의(X2) 맞춤을 구성하고 30 ㎚의 거리에 상응한다. 삽도는 전체적으로 측정된 스펙트럼에 걸친 감소를 도시한다. 이런 구조에 대하여, 컷-오프 파장(λc)은 
의 범위에서 존재한다.
도 7은 평평한 석영 서브스트레이트 상의 형광 비드(패널 a 참조) 및 층상 구조물(1)을 갖는 서브스트레이트(5, 10) 상의 형광 비드(패널 b 참조)에 대한 (523 ㎚ < λ < 533 ㎚ 사이의) 방사 강도(I)를 도시한다. 관련된 파라미터들은 도 6의 실시예에서와 같이 실질적으로 동일하다. 2개의 형광 비드들은 (패널 b에 상응하는) 대략 절반만이 층상 구조물로 코팅되었던 동일한 석영 슬라이드 상에 이미징되었다.
도 8은 (그래프에 표지된) 상이한 방사 파장(λ')에 대한 광자 강도 분포의 플롯을 도시하되, 코팅된 서브스트레이트 상의 형광단에 대한 고강도(실선)는 비교를 위한 종래의 코팅되지 않는 서브스트레이트의 것(파선)에 대하여 조정되어 왔다. (피크들을 좁히는) 정의된 강도에서 광자들의 상대적으로 증가된 개수는 플라스몬 결합의 결과로서 설명될 수 있다.
실시예
C
층상 구조물(1)은 또한 광활성화가능한 단백질을 포함하는 검사를 위하여 바람직하다. 층상 구조물(1)에서 긴 수명 경계 모드에 대한 높은 여기된 상태의 효율적인 결합은 더 낮은 (활성화된) 트랜지션 에너지에서 필드 강도를 향상시킬 수 있고 정확히 활성화 소스를 갖는 현저한 복사 붕괴를 유발하거나 복사 붕괴를 증가시킬 수 있다. 이런 사용을 입증하기 위하여, 트리파노소마 브루세이 세포들에서 paGFP 표지된 MORN 단백질이 검사되었다. 이런 단백질이 세포 표면의 부근에서 발견되기에, 세포들은 종래의 커버 슬립 상에서 성장되었고 층상 구조물(1)은 이의 표면에 반하여 압축되었다. 이전에 서술된 바와 같이, 종래의 스펙트럼 이미징은, 이어서 세포를 통해 수행되었다.
도 9는 형광단의 형광이 얇고(6 ㎚ 및 12 ㎚ 두께) 아주 매끄러운 Ag 필름의 바로 부근에서 감소되는 것을 도시한다. 따라서, 상기에 언급된 바와 같이 층상 구조물에 대하여, 단독으로 매끄러운 금속 표면을 제공하는 것이 획득된 형광의 크웬칭을 야기한다. 형광단은 Alexa561에 비교할만한 광물리 특성을 갖는, 561 ㎚(간섭성)에서 여기된 적색 비드(인비트로젠 Multispec™)였다. 63× 1.4NA 유침 대물렌즈로 이미징 및 시야가 넓은 여기가 전개되었다.
도 10은 층상 구조물(1)의 꼭대기 상에 B16 섬유 아세포에 대한 GFP 표지된 팍실린의 역학 관계를 도시한다. 세포의 전측 종단(하부 패널) 및 후측 종단(상부 패널)에서 접착 위치에서 1×1 마이크론 제곱으로 방사 스펙트럼(490 ㎚ 내지 700 ㎚)에서 변화가 분석되었다. 장 방사 파장(λ')에 대한 단방사 파장(λ')에서 변화는 (층상 구조물(1)의 표면(6)으로부터 측정된) 층상 구조물(1)에 수직인 거리를 추론하는 데에 사용되었다. 결과는 표면(6)에 근접한 100 ㎚ 아래의 단위에 걸쳐 단백질의 상하 이동을 드러낸다. 따라서, 층상 구조물(1)을 제공하는 것은 정확한 동적 측정을 가능하게 한다.
도 11은 여기 복사의 대역 통과 필터링에 대한 층상 구조물(1)의 어플리케이션을 도시한다. 방사체(2)들의 앙상블을 포함하는 획득 매질(gain medium; 21)은 층상 구조물(1) 위에 배열된다. 강도(I(in))로 여기 복사는 획득 매질(21)과 결합되고 강도(I(out))로 반사된 방사 복사가 획득된다. 여기 복사는 여기 파장(λ)의 스펙트럼을 걸친다. 방사체(2)들과의 상호작용으로 인해, 여기 방사는 단파장 범위(1) 및 장파장 범위(3)에 대하여 주로 감쇠되는 반면에, 여기 복사는 비교적 높은 반사 계수(R)를 야기하는 에너지 컷 오프(Ec) 위에 중간 파장 범위(2)에 대하여 향상된다(우측 다이어그램을 참고). 범위(2)에서 향상은 상기에 서술된 바와 같이, 층상 구조물(1)의 존재로 인한 것이다. 한편, 범위(1)에서 SPP 모드는 획득 매질(21) 안으로 떨어져 붕괴하지 않아, 방사체(2)와 층상 구조물(1) 사이의 결합은 약하고 각 여기 파장(λ)은 감쇠된다. 또한 특정 여기 파장(λ)(범위 3) 아래에서 향상 효과는 점차 사라지고 컷 오프 에너지(Ec) 위에서 여기에 비교된 획득된 방사 복사(λ')에서 감소가 관찰된다. 층상 구조물(1)은 또한 이의 부근에서 방사체(2)의 밀도 반전을 달성하는 데에 사용될 수 있다는 것이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백하다.
Claims (13)
- 여기된 방사체(2)의 복사 특성을 변경하는 방법(방사체(2)는 금속 물질을 포함하는 층상 구조물(1)의 부근에 위치되어, 방사체(2)는 방사체(2)의 복사 특성을 변경하는, 층상 구조물(1)의 표면 상태, 특히 표면 플라스몬 폴라리톤에 결합된다)에 있어서,
층상 구조물(1)은 비금속 슈퍼스트레이트층(4)과 비금속 서브스트레이트층(5) 사이에 개재된 금속층(3)을 포함하되,
적어도 금속층(3) 및 슈퍼스트레이트층(4)은 1 나노미터 이하의 평균평방근 거칠기를 갖는 매끄러운 인터페이스(8)에 의해 분리되고,
금속층(3)은 방사체(2)의 방사 파장(λ')에 대한 1/100와 1/20 사이의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항에 있어서,
매끄러운 인터페이스(8)가 템플릿 스트리핑 방법으로 및/또는 서브스트레이트층(5) 상에 습윤층(3")의 증착에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
유전체 슈퍼스트레이트층(4)의 유전율은 서브스트레이트층(5)의 유전율과 상이한 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
금속층(3)은 은, 금, 팔라듐, 니켈, 크롬, 알루미늄, 알루미늄-아연-산화물, 갈륨-아연-산화물, 카드뮴 또는 이의 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 금속 물질에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
슈퍼스트레이트층(4)은 알루미늄 산화물, 실리콘 이산화물, 티타늄 이산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 탄화물 또는 폴리머로 이루어진 그룹으로부터 선택된 물질에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
방사체(2)가 250 ㎚와 1600 ㎚ 사이, 바람직하게는 405 ㎚와 600 ㎚ 사이의 방사 파장(λ')에서 복사를 방사하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
층상 구조물(2)의 부근에서 방사체(2)로부터의 변경된 복사는 방사체(2)를 포함하는 샘플의 이미징에 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 7 항에 있어서,
샘플의 이미징은 층상 구조물(1)의 비금속 슈퍼스트레이트층(4) 위에 위치되는 방사체(2)를 포함하는 샘플로부터 복사를 변경하기 위한 층상 구조물(1)로 코팅되거나 구성되는, 현미경 슬라이드를 포함하는 현미경 배열체(9)로 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
방사체(2)는 형광광, 특히 형광 염료를 방사하는 형광단인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
층상 구조물(1)의 부근에서 방사체(2)로부터의 변경된 복사는 방사체(2)의 위치를 결정하고 그리고/또는 층상 구조물(1)과 방사체(2) 사이의 거리를 측정하는 데에 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
층상 구조물(1)의 부근에서 방사체(2)의 복사 특성의 변경은 대역 통과 또는 대역 소거 필터링에 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
층상 구조물(1)의 부근에서 방사체(2)의 복사 특성의 변경은 방사체(2)로부터의 유도 방사에 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 층상 구조물의 표면 상태 특히 표면 플라스몬 폴라리톤과 방사체(2) 사이의 결합에 의해 부근에 위치된 여기된 방사체(2)의 복사 특성을 변경하기 위한 금속 물질을 갖는 층상 구조물(1)에 있어서,
층상 구조물(1)은 비금속 슈퍼스트레이트층(4)과 비금속 서브스트레이트층(5) 사이에 개재된 금속층(3)을 포함하되,
적어도 금속층(3) 및 슈퍼스트레이트층(4)은 1 나노미터 이하의 평균평방근 거칠기를 갖는 매끄러운 인터페이스(8)에 의해 분리되고,
금속층(3)은 방사체(2)의 방사 파장(λ')에 대한 1/100와 1/20 사이의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 층상 구조물.
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