KR20170091088A - 유체 샘플에서 나노입자를 광학적으로 검출하는 방법 및 장치 - Google Patents
유체 샘플에서 나노입자를 광학적으로 검출하는 방법 및 장치 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 유체 샘플 내에서 움직이는 나노입자를 광학적으로 검출하기 위한 장치(100)에 관한 것으로, 이 검출 장치는,
- 샘플을 조명하기 위하여 공간적 인코히어런트 빔(incoherent beam)을 방출하는 광원(10);
- 현미경 대물렌즈(31)를 포함하는 이미지 광학 시스템(30);
- 상기 이미지 광학 시스템(30)에 의해 현미경 대물렌즈의 대상 초점 평면과 결합된 검출 평면(41)을 포함하고, 샘플의 분석 체적의 이미지 열(a sequence of images)이 얻어지는 2차원 광학 검출기(40)로서, 각각의 이미지는 1ms 이하의 사전설정된 지속시간 동안 샘플에 입사되는 빔과 분석 체적 내 존재하는 각 나노입자에 의해 산란된 빔 사이의 광간섭에 의해 얻어지는, 상기 2차원 광학 검출기(40);
- 분석 체적의 각 나노입자에 대하여 산란된 빔의 진폭을 결정하기 위하여, 상기 이미지 열의 평균이 얻어지고, 상기 평균이 각 이미지로부터 공제되도록 하는, 이미지 처리수단(50);을 포함한다.
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- 분석 체적의 각 나노입자에 대하여 산란된 빔의 진폭을 결정하기 위하여, 상기 이미지 열의 평균이 얻어지고, 상기 평균이 각 이미지로부터 공제되도록 하는, 이미지 처리수단(50);을 포함한다.
Description
본 발명은 액체 샘플과 같은 유체 샘플, 또는 공기에서 일반적으로 30-200nm의 나노입자를 광학적으로 검출하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 더 상세하게는, 본 발명의 방법은 특히 바닷물 또는 강물에서 바이러스의 계수(counting) 및 특성화를 위한 수중 환경에 존재하는 부유 바이러스의 검출에 적용된다.
바이러스는 일반적으로 크기가 30-200nm인 나노 개체이다. 바이러스는 일반적으로 주어진 숙주 세포에 특이적이므로, 종 또는 종의 다양성이나 계통군주를 특징으로 한다. 1989년 이래로, 노르웨이 팀(K.J. Børsheim 외, "투과 전자 현미경을 통한 플랑크톤 박테리아와 바이러스의 열거 및 바이오매스 추정", Appl.Environ.Microbiol.(1990) 56 : 352-356 참조)의 연구 덕분에, 다양한 수중 환경에 풍부한 바이러스가 존재함을 인식하게 되었다.
고농도의 바이러스가 호수, 강, 얼음, 또는 해양 깊이의 퇴적물, 때로는 구름 속에서도 검출되었으며, 이는 바이러스가 생물권의 기능에 중요한 역할을 한다는 것을 시사한다. 더 희귀한 종의 이익을 위한 우점종의 파괴 또는 숙주에 대한 바이러스 유전자의 전달과 같은 다양한 메커니즘 덕분에, 바이러스는 수중 생태계의 생물 다양성을 유지하고 유전적 혼합을 촉진한다. 따라서, 바이러스와 숙주 사이의 관계를 더욱 상세히 이해하기 위하여 서로 다른 수중 생태계에서 바이러스를 특성화하고 바이러스의 분포를 측정하는 것이 중요하다.
수중 생태계, 계절, 또는 표본 채취의 깊이에 따라, 부유 바이러스의 농도는 일반적으로 밀리리터 당 106 - 109의 입자에 이른다. 수중 매체의 바이러스를 특성화하고 계수하는 많은 종래의 방법들이 존재한다.
예를 들어, 바이러스를 계수하고 매우 우수한 정밀도로 형태학을 특성화할 수 있는 투과 전자 현미경(또는 TEM)이 존재한다. 그러나, 그러한 파괴적 기술은 부피가 크고 값 비싼 장비를 필요로 한다.
수중 환경에서 바이러스의 특성화를 위한 광학 기술 중에서, 형광 마커로 핵산을 염색한 후 부유 바이러스를 계수할 수 있는 형광 현미경이 존재한다(예를 들어, Bettarel 등, "수생 시스템에서 바이러스 계수 방법들의 비교", Appl.Environ.Microbiol, 66 : 2283 - 2289(2000) 참조). 그러나, 이러한 기술은 마커 고정 단계를 필요로 하며, 이는 분자 및 생화학 분석의 이후 단계에서 문제가 되는 것으로 판명될 수 있다.
또한, 바이러스가 가시광선 스펙트럼에서 굴절률이 물(1.33)과 상당히 다른 1.5에 가까운 유전체 나노미터 입자처럼 행동한다는 사실에 착안하여, 나노입자가 입사 전자기장에서 야기하는 섭동(perturbation)을 측정함으로써 바이러스의 존재를 탐지하고 잠재적으로 바이러스를 특성화하는 방법이 알려져 있다.
즉, 바이러스 입자의 서스펜션(suspension)에 의한 빛의 산란에 기초한 방법이 개시되어있다(예를 들어, WM Balch 등, "바이러스 서스펜션에 의한 빛의 산란", Limnol Oceanogr, 45 : 492 - 498(2000) 참조). 그러나, 이러한 방법들은 열등한 검출 감도로 인해 바이러스의 균질 용액 분석으로 제한되며, 주어진 크기와 모양에 대한 바이러스 농도만을 결정할 수 있으므로; 일반적으로 자연환경에서 나타나는 다양화된 바이러스의 식별에 적절하지 못한다.
감도를 얻기 위해, 간섭측정(interferometric) 방법이 액체 환경에서 바이러스의 검출에 사용되어왔다. 즉, Mitra 등의 기사("암시야 간섭측정법에 기반한 단일 인간 및 박테리아 바이러스의 실시간 광학 검출", Biosens Bioelectron. 2012년 1월 15일; 31(1) : 499 - 504) 에서는 나노유체 도관에서 하나씩 움직이는 나노입자의 관찰을 위한 간섭측정 검출방법을 개시한다. 입사 레이저 빔으로 조명된 나노입자에 의해 산란된 저광도는 고광도의 참조광에 의해 증폭된다. 또한, 구조화된 조명은 도관 계면상의 기생성 반사로 인한 노이즈를 제거한다(검정색 배경에서 검출). 그러나 상기 기술은 코히렌트(coherent) 광원(레이저)을 사용하는 것 외에 복잡한 나노 유체 레이아웃을 필요로 한다.
본 발명은, 레이저의 필요성 없이, 공간적으로 인코히어런트(incoherent) 조명에서 작동하는, 물과 같은 유체 내의 움직이는 나노입자의 검출을 위한 간섭측정 기술을 개시한다. 또한, 상기 기술은 검사되는 유체에 대한 특정 레이아웃을 필요로 하지 않는다. 그러나, 본 명세서에 기재된 기술은 매우 우수한 감도를 가지며, 수십 nm 만큼 작은 직경을 가지는 나노입자도 검출 가능하다.
첫째로, 본 발명은 유체 샘플 내에서 움직이는 투과 나노입자를 광학적으로 검출하기 위한 장치에 관한 것으로, 다음을 포함한다.
- 상기 샘플을 조명하기 위하여 공간적 인코히어런트 빔(incoherent beam)을 방출하는 광원;
- 현미경 대물렌즈를 포함하는 이미지 광학 시스템;
- 상기 이미지 광학 시스템에 의해 현미경 대물렌즈의 대상 초점 평면과 결합된 검출 평면을 포함하고, 샘플의 분석 체적의 이미지 열(a sequence of images)이 얻어지는 2차원 광학 검출기로서, 각각의 이미지는 1ms 이하의 사전설정된 지속시간 동안 샘플에 입사되는 빔과 분석 체적 내 존재하는 각 나노입자에 의해 산란된 빔 사이의 광간섭에 의해 얻어지는, 상기 2차원 광학 검출기;
- 분석 체적의 각 나노입자에 대하여 산란된 빔의 진폭을 결정하기 위하여, 상기 이미지 열의 평균이 얻어지고, 상기 평균이 각 이미지로부터 공제되도록 하는, 이미지 처리 수단.
상기 검출 장치는 나노입자, 즉 직경이 수백 nm 미만, 특히 30-200nm인 나노입자의 검출에 사용된다.
상기 기재된 장치는 구현이 매우 용이하고 샘플을 특정 형태로 배치할 필요가 없을 뿐 아니라, 나노입자가 "동결(frozen)"되었을 때 매우 짧은 시간 동안 광원에 의해 방출된 신호와 각 나노입자에 의해 산란된 신호 사이의 간섭에 의해 얻어진 산란 신호의 증폭으로 인하여 수십 nm만큼 작은 직경을 가지는 나노입자의 검출을 가능하게 한다.
입사하는 조명 빔과 각 나노입자에 의해 산란된 빔 사이에서 직접적으로 생성된 간섭은 분리기를 이용하는 간섭측정과 같은 참조파와 간섭 형성을 위한 샘플을 조명하는 파 사이의 초기의 물리적 분리를 필요로 하지 않는다.
공간적으로 인코히어런트 빔에 의한 조명은, 공간적 코히렌스(coherence)를, 단면이 현미경 대물렌즈의 개구수에 반비례하는 "복셀(voxel)" 레벨로 제한하는 것이 가능하게 한다. 따라서, 간섭은 나노입자가 위치하는 복셀 내에서만 가능하므로; 간섭은 거의 동심원의 구면파 사이에서 발생한다.
하나 이상의 샘플 실시예에 따르면, 광원은 상기 사전설정된 지속시간의 광 펄스의 순차적 방출을 가능하게 하는 펄스 광원이고; 상기 장치는 또한 2차원의 광 검출기와 상기 이미지 열의 획득을 위한 펄스 광원의 동기화 수단을 포함한다. 사용된 2차원 검출기는 100Hz에서 작동하는 표준 카메라일 수 있다.
대안적으로, 보통 초당 수천 개의 이미지보다 큰 주파수를 갖는 연속 광원 및 고속 카메라로 작업할 수 있다.
광원은 예를 들어 LED와 같은 공간적 인코히어런트 광원이고, 검출 영역 내의 기생 배경을 생성할 수 있는 스페클(speckle) 효과를 피할 수 있다.
하나 이상의 샘플 실시예에 따르면, 사용된 현미경 대물렌즈는 각 나노입자에 의해 산란된 광 신호의 세기를 증가시키고 작은 직경의 나노입자의 검출을 가능하게 하기 위하여 1 이상의 개구수를 갖는다.
둘째로, 본 발명은 유체 샘플 내에서 움직이는 투과 나노입자의 검출 방법에 관한 것으로, 다음을 포함한다:
- 상기 샘플을 조명하기 위하여 공간적 인코히어런트 빔(incoherent beam)을 방출하는 단계;
- 2차원 광학 검출기의 검출 평면상에, 현미경 대물렌즈를 포함하는 이미지 광학 시스템에 의해, 현미경 대물렌즈의 대상 초점 평면 근처에 위치한 샘플의 분석 체적의 이미지들을 형성하는 단계;
- 2차원 광학 검출기에 의해, 상기 샘플의 분석 체적의 이미지 열을 획득하는 단계로서, 각각의 이미지는 1ms 이하로 사전설정된 지속시간 동안 조명 빔과 분석 체적 내 존재하는 각 나노입자에 의해 산란된 빔 사이의 광간섭으로 인해 얻어지는, 상기 이미지 열을 획득하는 단계;
- 분석 체적의 각 나노입자에 대한 산란된 빔의 진폭을 결정하기 위하여, 상기 이미지 열의 평균을 취하고, 상기 평균을 각 이미지로부터 공제하는, 이미지 처리 단계.
하나 이상의 샘플 실시예에 따르면, 빔의 방출 단계는 사전설정된 광 펄스의 연속 방출이고, 이미지의 획득 단계는 광 펄스의 방출과 동기화된다.
하나 이상의 샘플 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 방법은 상기 방식으로 처리된 연속 이미지로부터 시작하는 나노입자의 궤도를 결정하는 단계를 더 포함한다.
이하에서는 본 발명의 다른 이점 및 특징들을 다음의 도면을 참조하여 설명한다:
- 도 1은 본 발명에 따른 유체 샘플에서 나노입자를 검출하는 장치의 일 실시예를 도시하는 도면;
- 도 2는 도 1 유형의 장치에서 액체 샘플 지지체의 일 예를 보다 상세하게 도시하는 도면;
- 도 3은 도 1의 예에서, 현미경 대물렌즈의 대상 초점 평면 전후에 위치하는 나노입자로부터 나오는 구면파를 도시하는 도면;
- 도 4a 및 4b는 투과된 파와 현미경 대물렌즈의 대상 초점 평면 후와 전에 위치한 나노입자 각각에 의해 산란된 파 사이의 간섭 원리를 도시하는 도면;
- 도 5a는 투과된 파와 현미경 대물렌즈의 대상 초점 평면 전후에 위치한 여러 개의 나노입자 각각에 의해 산란된 파 사이의 간섭 원리를 도시하는 도면, 도 5b는 검출기의 검출 평면의 간섭 패턴의 결과를 도시하는 도면;
- 도 6a 내지 6c는 각각, 평균값의 제거에 의해 처리된 후의 액체 샘플에 대해 획득한 이미지를 도시하는 도면, "파지(phage) λ" 유형의 바이러스에 대응하는 입자와 관련된 상기 이미지의 간섭 패턴의 확대도, 및 검출기의 검출 평면에서 픽셀 수의 함수로 상기 입자의 영역에서 측정된 빛의 강도 프로파일;
- 도 7은 상이한 나노입자(파지 T4 유형의 바이러스)의 두 개의 연속적인 이미지 사이의 일련의 점프에 의해 참조된 궤적을 도시한 도면이다.
일관성을 위해, 서로 다른 도면에서 동일한 요소는는 동일한 번호로 표시되었다.
- 도 1은 본 발명에 따른 유체 샘플에서 나노입자를 검출하는 장치의 일 실시예를 도시하는 도면;
- 도 2는 도 1 유형의 장치에서 액체 샘플 지지체의 일 예를 보다 상세하게 도시하는 도면;
- 도 3은 도 1의 예에서, 현미경 대물렌즈의 대상 초점 평면 전후에 위치하는 나노입자로부터 나오는 구면파를 도시하는 도면;
- 도 4a 및 4b는 투과된 파와 현미경 대물렌즈의 대상 초점 평면 후와 전에 위치한 나노입자 각각에 의해 산란된 파 사이의 간섭 원리를 도시하는 도면;
- 도 5a는 투과된 파와 현미경 대물렌즈의 대상 초점 평면 전후에 위치한 여러 개의 나노입자 각각에 의해 산란된 파 사이의 간섭 원리를 도시하는 도면, 도 5b는 검출기의 검출 평면의 간섭 패턴의 결과를 도시하는 도면;
- 도 6a 내지 6c는 각각, 평균값의 제거에 의해 처리된 후의 액체 샘플에 대해 획득한 이미지를 도시하는 도면, "파지(phage) λ" 유형의 바이러스에 대응하는 입자와 관련된 상기 이미지의 간섭 패턴의 확대도, 및 검출기의 검출 평면에서 픽셀 수의 함수로 상기 입자의 영역에서 측정된 빛의 강도 프로파일;
- 도 7은 상이한 나노입자(파지 T4 유형의 바이러스)의 두 개의 연속적인 이미지 사이의 일련의 점프에 의해 참조된 궤적을 도시한 도면이다.
일관성을 위해, 서로 다른 도면에서 동일한 요소는는 동일한 번호로 표시되었다.
도 1은 본 발명에 따라 유체 샘플 내에서 움직이는 나노입자를 검출하는 장치의 일 실시예를 개략적으로 도시한 것이고, 도 2는 도 1 유형의 장치에서 샘플의 배열의 특정 예를 도시한 것이다.
도 1에 도시된 검출 장치(100)는 액체 또는 기체 샘플(20)을 통해 입사되는 빔을 방출하도록 구성된 광원(10)을 포함한다. 상기 광원은 열원이나 LED(Light-Emitting Diode)와 같은 공간적으로 인코히어런트 광원(incoherent source)이다. 상기 광원(10)은 일반적으로 1 초과의 큰 개구수의 현미경 대물렌즈(31) 필드를 조명한다. 도 1에 도시된 상기 장치(100)는 또한, 현미경 대물렌즈(31)와 함께 2차원 광 검출기(40)의 검출 평면상에 현미경 대물렌즈의 대상 초점 평면의 이미지를 형성하도록 구성된 광학 이미지 시스템(30)을 형성하는, 일반적으로 튜브 렌즈로 불리는 광학부(optics)(32)을 포함한다. 상기 대물렌즈는 예를 들어 표준 유침(oil immersion) 현미경 대물렌즈이고, 상기 2차원 검출기는, 예를 들어 일반적으로 100Hz 정도의 최소율 및 적어도 10만 전자 정도의 큰 우물용량(well capacity)으로 작동하는 CCD 또는 CMOS와 같은 카메라이다. 상기 우물용량은 신호 대 노이즈 비를 설정하여 바이러스의 측정가능한 최소 크기를 설정한다. 도 1의 예에서, 상기 검출 장치(100)는 또한 검출기(40) 및 스크린(60)에 연결될 뿐 아니라, 본 실시예에서는 펄스 모드에서 작동할 때 광원과 검출 사이의 동기화를 제공하기 위해 광원(10)의 제어 유닛(11)에 연결된 처리 수단(50)을 포함한다.
도 2에서 상세히 도시된 바와 같이, 상기 샘플(20)은 예를 들어 체적이 마이크로 리터 정도인 유체 샘플이고; 상기 체적은 그 전체가 시편 홀더(21)를 형성하는 2개의 현미경 커버 슬립(22) 사이에 배치된 대략 100 마이크로미터 두께의 플라스틱 필름(23) 상에 원형 개구(예를 들어, 반경이 수 밀리미터 정도)로 형성된다. 매우 큰 입자를 분리하고 수백 nm, 유리하게는 100nm 미만의 직경을 가지는 입자만을 유지하기 위한 가끔씩의 예비 여과 이외에는 액체 샘플의 분석을 위한 특별한 준비는 필요하지 않지만; 특히 "클린(clean)" 샘플(저농도 바이러스)의 경우에는, 종래의 방법으로 바이러스 샘플을 "농축(concentrate)"해야 할 수 있다.
액체 샘플의 경우에 대해 기술되었지만, 본 발명에 따른 나노입자의 검출 방법은 또한 공기와 같은 기체 내에서 움직이는 나노입자에도 적용될 수 있고; 이 경우, 상기 장치(100)는 공기가 분석되는 환경에 직접 설치될 수 있다. 수백 nm 미만의 직경을 가진 입자 검출로 제한하기 위하여 예비 여과가 또한 실행될 수 있다.
본 발명의 원리가 대상 필드(object field)의 하나의 "픽셀" 또는 "복셀"에 대응하는 체적에 대해서 도 3에 의해 도시되어 있는데; 도 3은 현미경 대물렌즈의 대상 초점 평면 전후의 대상 필드에 각각 위치한 2개의 나노입자로부터의 구면파를 개략적으로 도시한다.
대상 필드의 픽셀 또는 "복셀"은 이미지 필드의 픽셀에 대해 현미경 대물렌즈(31)의 대상 공간으로 정의된 초기 체적 Vi을 의미하며, 상기 이미지 필드는 검출기(40)의 유효 검출 표면에 의해 정의된다.
대상 필드에서의 복셀 Vi는 현미경 대물렌즈(31)의 피사계 심도(depth of field)로 정의되는 길이 L과 회절 스폿(diffraction spot)으로 정의되는 단면 S의 원통형 체적으로 표현될 수 있다. 피사계 심도 L과 단면 S의 직경 φ는 다음과 같다:
여기서, NA는 현미경 대물렌즈의 개구수이고, n은 대상 공간의 매질의 지수(예를 들어, 유침 현미경 대물렌즈의 경우 
의 매질)이고, λ는 광원(10)에 의해 방출된 광파의 작동 파장이다.
따라서, 전체 복셀 Vi에 의해 샘플의 분석 체적 Va을 정의할 수 있고; 분석 체적 Va은 유체 내에서 움직이는 입자가 검출될 수 있는 체적을 나타낸다. 분석 체적은, 대상 필드의 치수, 즉 검출 표면의 치수에 이미지 시스템(30) 배율의 역수를 곱한 크기로 정의되는 측면 치수 및 필드 깊이 L로 정의되는 축방향 치수를 가진다.
도 3에 도시된 바와 같이, 현미경 대물렌즈(31)의 초점 평면(F)의 점(Fi)으로부터의 파동은 현미경 대물렌즈가 평면파(W'o)로 변환하는 중심(Fi)의 구면파(Wo)이다. 평면파(W'o)(이하에서는, "기준파"라 함)는 현미경 튜브 렌즈에 부딪힌다(도 3에 도시되지 않음). 검출기(40)의 검출 평면에서, 상기 평면파는 직경이 현미경 대물렌즈의 개구수 및 이미지 시스템(30)의 배율의 함수인 회절 스폿을 형성한다.
복셀 Vi 내부에서, 작동 파장보다 작은 치수를 가지고 광원(10)으로부터 나오는 광파에 의해 조명될 때 점 Fi 근처이지만 필드 깊이의 한계점에 위치하는 서브-파장 나노입자 P1 및 P2는 각각 산란된 구면파를 방출하며, 현미경 대물렌즈(31)는 이를 도 3에 W'1, W'2로 각각 도시된 평면파로 변환한다. 나노입자는 너무 작아서 위상 이동을 일으키지 않는다. 한편, 나노입자의 존재하에 복셀 내의 공간적 간섭은 조명 빔으로부터 각각 나오는 동심원에 근접한 구면파와 나노입자에 의해 산란된 빔 사이의 간섭을 발생시킨다.
본 발명에 따른 검출 방법은 2차원 검출기(40)에 의하여 샘플의 분석 체적의 이미지 열(a sequence of images)을 획득하는 것에 기초하는데, 각 이미지는 나노입자의 이동 시간과 관련하여 충분히 짧은, 일반적으로 1ms 미만인 사전설정된 지속시간 동안 방출된 입사 빔과 입사 빔으로부터 형성된 분석 체적 내에 존재하는 각 나노입자에 의해 산란된 빔 사이의 광학 간섭으로부터 얻어진다. 따라서, 도 3의 예에서, 각각의 파동 W'1, W'2는 기준파(W'0)와 간섭한다. 나노입자가 현미경의 대상 초점 평면에서 하류(예를 들어, 입자 P1)에 위치하는지 또는 상류(예를 들어, 입자 P2)에 위치하는지에 따라, 간섭은 보강간섭 또는 상쇄간섭으로 될 것이다. 상기 차이는 초점 전후에 위치한 점으로부터 나오는 구면파 사이의 180°위상 변화의 원인이 되는 "구이(Gouy) 위상"에 기인한다.
도 4a 및 4b는 대물렌즈의 대상 초점 평면으로부터 하류와 상류에 각각 위치한, 그러나 항상 심도범위 내인 나노입자에 대해 보강간섭과 상쇄간섭의 메커니즘을 각각 도시한다. 이 도면들에는, 광원(10) 및 현미경 대물렌즈(31)만이 도시되어 있다.
도 4a는 현미경 대물렌즈(31)의 대상 초점 평면으로부터 하류에 위치한 나노입자(P1)의 경우를 도시한다. 나노입자(P1)는 검출기 필드(도 4a에 도시되지 않음) 및 현미경 대물렌즈(31)의 심도(L)로 정의되는 분석 체적 내에 위치한다. 상기 나노입자는 간섭 신호의 해석을 방해할 수 있는 스페클의 형성을 피하기 위해서 광원(10), 유리하게는 LED와 같은 공간적 및 시간적 인코히어런트 광원에 의해 조명된다.
Wo는 초점 Fi에서 나오고 현미경 대물렌즈의 개구에 의해 가로막힌 기준파를 의미하고, W는 나노입자(P1)에 의해 산란되고, 마찬가지로 현미경 대물렌즈의 개구에 의해 가로막힌 파를 의미한다. 도 4a의 경우에서, 기준파 및 산란파는 같은 위상의 구면파이다. 보강 간섭은 현미경 대물렌즈의 개구 영역에서 광 간섭 패턴 I로 변환되는 파들 사이에서 생성된다. 상기 위상은 나노입자의 위치와 심도보다 얕은 초점 사이에서 시프트되고, 파 W 및 Wo는 현미경 대물렌즈의 개구에서 산란된 광선의 모든 각도, 즉 현미경 대물렌즈의 광축과 대물렌즈의 최대 구경 사이에 형성되는 모든 각도, 또는 일반적으로 유침 대물렌즈에서 54°에 해당하는 각도에 대해 동일 위상이다. 따라서, 도 4a의 간섭계에서는 링을 보지 못한다.
반면에, 도 4b는 현미경 대물렌즈(31)의 대상 초점 평면으로부터 하류에 위치하는 나노입자(P2)의 경우를 도시하지만, 여전히 분석 체적의 폭은 현미경 대물렌즈(31)의 심도에 의해 정의된다. 도 4b에서는 기준파 W0와 산란파 W는 구이 위상의 도입으로 인하여 위상이 달라진다. 현미경 대물렌즈의 개구 영역에서 어두운 간섭 패턴 I로 변환되는 파들 사이에서 상쇄간섭이 생성된다. 전술한 바와 같이, 나노입자의 위치와 초점 사이의 위상 변화는 심도보다 작고, 파 W 및 Wo는 모든 각도에 대해 위상이 다르고, 링을 볼 수 없다.
도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 각 나노입자에 의해 산란된 것과 같은 매우 약한 신호와 광원으로부터 나오는 강한 신호 사이의 간섭 현상에서, 매우 작은 산란 신호의 검출 및 그에 따른 수십 nm 미만의 직경을 가진 나노입자의 식별을 가능하게 하는 간섭에 의한 증폭이 관찰된다.
따라서, 광원의 광자에 의해 직접적으로 유도된 광전자의 수를 NS로 지정하고, 산란 나노입자에 의해 생성된 광전자의 수를 ND로 지정할 때, 상기 두 개의 파 사이의 간섭에 의해 광전자 N의 수는 다음과 같다:
여기서, φ는 광원 빔과 산란된 빔 사이의 위상 변화이다.
여기서, 산란 나노입자에 의해 생성된 광전자의 수 ND는 광원에 의해 방출된 광전자의 수 NS에 비해 매우 적다(보통 1/106의 비율). 또한, 이 경우, 현미경 대물렌즈의 심도 내의 입자 위치로 인하여, 상기 위상 변화 φ는 산란 입자와 초점의 상대 위치에 따라 0 또는 180°에 가까우므로; cos(φ)는 +1 또는 -1과 같다.
따라서, 많은 수의 이미지에 대해 평균을 취하고, 상기 입자의 운동, 입자 크기가 매우 작기 때문에 일반적으로 브라운 운동(Brownian movement)을 고려하면, 모든 이미지에 대한 평균은 입자에 관련된 신호가 노이즈 수준으로 줄어들기 때문에 백그라운드 NS로 나타날 것이다. 상기 나노입자와 관련된 신호만을 포함하는 이미지들을 얻기 위하여 획득한 각 이미지로부터 평균을 공제할 수 있다. 그런 다음, 백그라운드의 제거 후에 신호를 구성하고 ND보다 훨씬 큰 간섭항(
)을 얻는다. 간섭 항의 측정에 기초하여, 나노입자(
), 알려진 Ns에 의해 산란된 빔의 진폭을 구할 수 있고, 입자의 크기, 입자 크기의 입방체에 따라 변하는 산란된 신호의 진폭과 같은 정보로부터 추론할 수 있다.
픽셀당 160,000개의 전자를 저장할 수 있는 검출기로 신호 대 노이즈 비를 계산하면 평균을 공제 처리한 후에 잔류 측정 노이즈가 20nm 직경의 입자에 의해 생성되는 신호에 대응함을 보여준다.
또한, 큰 개구수 NA (일반적으로 NA는 1 이상)의 현미경 대물렌즈의 사용은 집광의 입체각의 증가뿐만 아니라 각 나노입자에 의해 산란된 신호의 세기 증가를 가능하게 할 것이며, 그에 따라 관찰 가능한 나노입자의 최소 직경의 감소를 가능하게 할 것이다. 실제로, 나노입자에 의해 산란된 세기는 σ/S에 따라 변하는데, σ는 나노입자의 유효 산란 단면적이고 S는 회절 스폿의 표면이므로; 상기 (2)식에서 나노입자에 의해 산란된 세기는 개구수 NA의 제곱에 따라 변한다.
도 5b는, 도 5a에 도시된 바와 같이, 유체 매질 내에서 움직이는 복수의 나노입자의 관찰을 위해 특정 순간에 얻은 이미지를 개략적으로 도시한 것이다.
도 5a는 P1 ~ P4 로 나타난 4개의 나노입자를 도시하며, 나노입자 P1, P3, P4는 현미경 대물렌즈의 초점 평면으로부터 하류에 위치하고, P2는 현미경 대물렌즈의 초점 평면으로부터 상류에 위치한다. 모든 입자는 검출기 영역 및 현미경 대물렌즈의 심도 L로 정의된 분석 체적 Va 내에 위치한다.
상기 나노입자는 유체 매질 내에서 이동한다. 예를 들어, 나노입자는 수중 환경의 바이러스와 같이 수십 nm에서 수백 nm 크기에 이를 수 있다. 본 발명에 따른 검출 방법을 구현하는 동안에, 일련의 이미지를 획득하는데, 각 이미지는 분석 체적 내에서 입자의 이동을 "동결(freeze)"시키기 위하여 주어진 충분히 짧은 시간동안 방출된 입사 빔과 각 나노입자에 의해 산란된 빔 사이의 광학 간섭으로부터 얻어진다.
공지된 바와 같이, 브라운 운동을 겪는 반경 r의 구형 나노입자의 산란 능력은 다음 공식으로 주어진다:
D = kBT/6πηr (4)
여기서, kB는 볼츠만 상수이고, η는 온도 T에서 나노입자가 잠긴 유체의 점도를 나타낸다.
시간 간격 t 동안, 카메라에서 2차원으로 이미지화되는 입자의 점프 l은 다음과 같이 주어진다: 
여기서, D는 식 (4)에 의해 주어진 산란 능력을 나타낸다.
따라서, 실제로는 나노입자가 회절 스폿의 분율보다 더 긴 거리를 덮지 않도록 충분히 짧은 시간 t 동안 이미지를 형성하려고 시도한다. 일반적으로, 이미지는 1ms를 초과하지 않는 시간동안 형성되어야 한다.
제1 변형예에 따르면, 보통 초당 수천 개의 이미지보다 많은 매우 높은 획득속도를 갖는 카메라를 이용하는 검출에 의해 상기 운동이 동결될 수 있다.
대안적으로는, 검출기의 각 이미지의 획득과 동기화되는 1ms 미만의 지속시간을 갖는 펄스 광원을 사용할 수 있다. 이 경우에, 검출기는 예를 들어 100Hz의 획득 속도를 갖는 표준 카메라일 수 있다. 반경이 약 40 nm 정도와 같은 수십 nm의 반경을 갖는 나노입자가 경험하는 2 개의 연속 이미지 사이에서 측정되는 "점프"는 1 마이크로미터 이상이고, 이는 사용되는 현미경 대물렌즈의 해상도에 따라 쉽게 측정 가능하다.
도 4a 및 4b를 참조하여 상기 설명된 바와 같이, 현미경 대물렌즈의 초점 평면으로부터 하류에 위치한 나노입자는 보강 간섭이 생기게 하여, 도 5b에 도시된 검출 평면(41)상의 광 회절 스폿(P'1, P'3, P'4)을 발생시킬 것이다. 반면에, 현미경 대물렌즈의 초점 평면으로부터 상류에 위치한 나노입자는 상쇄 간섭이 생기게 하여 검출 평면상에 어두운 회절 스폿(P'2)을 발생시킬 것이다.
실제로, 상기 설명된 바와 같이, 보강 간섭인지 상쇄 간섭인지에 따라서 백그라운드보다 밝거나 어두운 중첩된 회절 스폿이 있는 실질적인 백그라운드가 검출 평면(41) 상에서 관찰된다. 유리하게는, 본 발명의 검출 방법에 따라서, 예를 들어 수백 개의 연속 이미지를 기록하고, 그 평균을 취할 수 있다. 나노 입자와 관련된 신호만을 포함하는 이미지를 얻기 위하여, 획득된 이미지로부터 평균을 공제할 수 있다.
도 6 및 도 7은 잠재적으로 존재하는 바이러스의 검출 및 확인을 위하여 본 발명에 따른 검출 방법을 사용함으로써 분석된 액체 샘플에서 획득한 첫 번째 실험 결과를 나타낸다. 파지 λ 유형의 바이러스를 포함하는 샘플 및 파지 T4 유형의 바이러스를 포함하는 샘플이 각각 고려되고, 상기 샘플들은 브리타니 해안(coast of Brittany)에서 발견되는 대표적인 표본이다.
도 6a는 평균을 공제한 이후의 액체 샘플로부터 획득된 이미지를 나타낸다. 상기 이미지를 얻기 위하여 사용된 장치는 도 1에 도시된 Thorlabs® Imperial blue LED, 유침 대물렌즈 Olympus® 100X, 회절 스폿을 초과 샘플링하기 위한 300nm 초점의 튜브 렌즈, 그리고 CMOS Photon Focus® PHF-MV-D1024E-160-CL-12 카메라와 같은 유형의 장치이다. 도 6a에서 현미경 대물렌즈의 대상 초점 평면으로부터 상류 또는 하류에 위치한 나노 입자에 대응하는 밝은 점 또는 어두운 점 각각의 그룹이 관찰된다.
도 6b는 분리된 나노 입자와 관련된 도 6a의 이미지의 간섭 패턴의 확대도를 도시하고, 도 6c는 검출기의 검출 평면에서 픽셀 수의 함수로서 상기 입자의 영역에서 측정되고 나노 입자에 의해 산란된 빔의 진폭에 상응하는 빛의 세기 프로파일(공지된 크기의 나노 입자의 도움으로 보정된 단위)을 도시한다.
획득된 이미지를 사용하여 바이러스의 존재를 확인하는 것뿐만 아니라, 바이러스를 특히 크기의 함수로서 식별하는 것 또한 가능하며; 본 실시예에서는, 산란된 빛의 세기의 측정은 "파지 λ" 바이러스에 대응하는 60nm의 직경을 가진 나노 입자의 추론을 가능하게 한다.
도 7은 도 6a에 도시된 이미지를 형성하기 위하여 사용된 것과 유사한 장치를 사용하여 대략 1/10초 동안 측정된 특정 수의 입자의 궤도를 도시한다. 본 실시예에서, 각 궤도는 약 15개의 나노 입자에 의해 2개의 연속적인 이미지 사이에서 실행된 일련의 점프에 의해 형성되고, 나노 입자 각각은 도 7의 범례에 도시된 기호에 의해 식별된다.
이러한 실험적 측정으로부터 시작하여, (이전과 마찬가지로) 산란된 빛의 진폭(범례에서 각 기호와 반대되는 임의의 단위로 표시된 값)을 결정할 수 있다. 여기서, 산란된 진폭은 모든 나노 입자에 대해 실질적으로 동일하고, 90 nm의 직경을 갖는 "파지 λ" 유형의 균질한 바이러스 집단의 존재를 유추할 수 있을 것이다.
궤적의 분석은 산란된 세기의 측정 값에 보충 정보를 제공하는 것이 가능하다. 사실상, 브라운 운동의 분석은, 예를 들어 나노 입자의 크기, 브라운 운동의 교란을 일으키는 꼬리의 존재 등 나노 입자에 대한 특정 정보의 유추 또한 가능하게 한다.
비록 특정 개수의 샘플 실시 예를 통하여 기술되었으나, 본 발명에 따른 유체 환경에서 나노 입자를 광학적 검출하는 방법 및 상기 방법의 구현 장치는 당업자에게 자명한 많은 다른 변형, 수정 및 개선점을 가지며, 이러한 변형, 수정, 개선점은 이하의 청구범위에 정의된 본 발명의 범위 내에 속한다.
Claims (6)
- 유체 샘플 내에서 움직이는 나노입자를 광학적으로 검출하기 위한 장치(100)로서,
- 샘플을 조명하기 위하여 공간적 인코히어런트 빔(incoherent beam)을 방출하는 광원(10);
- 현미경 대물렌즈(31)를 포함하는 이미지 광학 시스템(30);
- 상기 이미지 광학 시스템(30)에 의해 현미경 대물렌즈의 대상 초점 평면과 결합된 검출 평면(41)을 포함하고, 샘플의 분석 체적의 이미지 열(a sequence of images)이 얻어지는 2차원 광학 검출기(40)로서, 각각의 이미지는 1ms 이하의 사전설정된 지속시간 동안 샘플에 입사되는 빔과 분석 체적 내 존재하는 각 나노입자에 의해 산란된 빔 사이의 광간섭에 의해 얻어지는, 상기 2차원 광학 검출기(40);
- 분석 체적의 각 나노입자에 대하여 산란된 빔의 진폭을 결정하기 위하여, 상기 이미지 열의 평균이 얻어지고, 상기 평균이 각 이미지로부터 공제되도록 하는, 이미지 처리수단(50);을 포함하는 검출 장치. - 제1항에 있어서,
상기 광원은 상기 사전설정된 지속시간의 광 펄스의 순차적 방출을 가능하게 하는 펄스 광원이고, 상기 장치는 2차원의 광 검출기와 상기 이미지 열의 획득을 위한 펄스 광원의 동기화 수단을 더 포함하는, 검출 장치. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
사용된 현미경 대물렌즈(31)는 1 이상의 개구수를 가지는, 검출 장치. - 유체 샘플(20) 내에서 움직이는 나노입자를 광학적으로 검출하기 위한 방법으로서,
- 상기 샘플(20)을 조명하기 위하여 공간적 인코히어런트 빔(incoherent beam)을 방출하는 단계;
- 2차원 광학 검출기의 검출 평면(41) 상에, 현미경 대물렌즈(31)를 포함하는 이미지 광학 시스템(30)에 의해, 현미경 대물렌즈의 대상 초점 평면 근처에 위치한 샘플의 분석 체적의 이미지들을 형성하는 단계;
- 2차원 광학 검출기에 의해, 상기 샘플의 분석 체적의 이미지 열을 획득하는 단계로서, 각각의 이미지는 1ms 이하로 사전설정된 지속시간 동안 조명 빔과 분석 체적 내 존재하는 각 나노입자에 의해 산란된 빔 사이의 광간섭으로 인해 얻어지는, 상기 이미지 열을 획득하는 단계;
- 분석 체적의 각 나노입자에 대한 산란된 빔의 진폭을 결정하기 위하여, 상기 이미지 열의 평균을 취하고, 상기 평균을 각 이미지로부터 공제하는, 이미지 처리 단계;를 포함하는 검출 방법. - 제4항에 있어서,
- 빔의 방출 단계는 상기 사전설정된 지속시간의 광 펄스를 연속적으롤 방출하는 것을 포함하며;
- 이미지를 획득하는 단계는 광 펄스의 방출과 동기화되는, 검출 방법. - 제4항 또는 제5항에 있어서,
처리된 이미지 열로부터 시작하는 나노입자의 궤도를 결정하는 단계를 더 포함하는, 검출 방법.
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20180056421A (ko) * | 2015-09-18 | 2018-05-28 | 뉴욕 유니버시티 | 정밀 슬러리 내 대형 불순물 입자의 홀로그래픽 검출 및 특성화 |
| KR20210107827A (ko) * | 2019-03-23 | 2021-09-01 | 호리바 인스트루먼츠 인코포레이티드 | 콜로이드 내의 나노 입자들의 크기를 결정하는 개선된 방법 |
Families Citing this family (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR3027107B1 (fr) * | 2014-10-09 | 2019-09-13 | Espci Paristech | Methode et dispositif de detection optique de nanoparticules dans un echantillon fluide |
| EP3747189A4 (en) * | 2018-01-30 | 2021-11-10 | Rebus Biosystems, Inc. | METHOD OF DETECTING PARTICLES WITH STRUCTURED LIGHTING |
| EP3575773A1 (en) * | 2018-05-28 | 2019-12-04 | Universität für Bodenkultur Wien | A method for determining a three-dimensional particle distribution in a medium |
| WO2020054466A1 (ja) * | 2018-09-12 | 2020-03-19 | 国立研究開発法人産業技術総合研究所 | 微粒子観察装置及び微粒子観察方法 |
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| CN109297874B (zh) * | 2018-11-30 | 2023-09-22 | 浙江大学 | 一种用于测量运动颗粒粒径的全息实时测量方法及装置 |
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| JP2021076451A (ja) * | 2019-11-07 | 2021-05-20 | ソニー株式会社 | 検出光学系、検出装置、フローサイトメータ及びイメージングサイトメータ |
| US10823662B1 (en) * | 2020-02-18 | 2020-11-03 | Horiba Instruments, Incorporated | Special purpose cuvette assembly and method for optical microscopy of nanoparticle colloids |
| RU204569U1 (ru) * | 2021-03-23 | 2021-05-31 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" | Анализатор траекторий наночастиц в объеме жидкости |
| CN113340894B (zh) * | 2021-05-28 | 2023-04-07 | 上海睿钰生物科技有限公司 | 一种非透明微粒的检测方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20070030492A1 (en) * | 2005-05-04 | 2007-02-08 | Lukas Novotny | Apparatus and method for sizing nanoparticles based on optical forces and interferometric field detection |
| US20090290156A1 (en) * | 2008-05-21 | 2009-11-26 | The Board Of Trustee Of The University Of Illinois | Spatial light interference microscopy and fourier transform light scattering for cell and tissue characterization |
| WO2012035170A1 (en) * | 2010-09-17 | 2012-03-22 | Lltech Inc. | Optical tissue sectioning using full field optical coherence tomography |
| KR20130115891A (ko) * | 2012-04-13 | 2013-10-22 | 한국과학기술원 | 광량 변조와 스캐닝 시스템 기반의 구조 조명 현미경 |
Family Cites Families (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4814868A (en) * | 1987-10-02 | 1989-03-21 | Quadtek, Inc. | Apparatus and method for imaging and counting moving particles |
| JPH04157339A (ja) * | 1990-10-20 | 1992-05-29 | Toshiba Corp | 粒径・速度測定装置 |
| JP3121849B2 (ja) * | 1991-02-27 | 2001-01-09 | シスメックス株式会社 | フローイメージサイトメータ |
| FR2734637B1 (fr) * | 1995-05-24 | 1997-08-14 | Abx Sa | Dispositif d'inspection optique d'un fluide, notamment pour analyses hematologiques |
| JP2000241335A (ja) * | 1998-12-24 | 2000-09-08 | Fuji Electric Co Ltd | 藻類および微粒子の計数方法と計数装置 |
| EP2933630A3 (en) * | 2004-06-07 | 2015-10-28 | Fluidigm Corporation | Optical lens system and method for microfluidic devices |
| US7315372B1 (en) * | 2005-09-29 | 2008-01-01 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Instrument using near-field intensity correlation measurements for characterizing scattering of light by suspensions |
| US20090323061A1 (en) | 2006-02-28 | 2009-12-31 | Lukas Novotny | Multi-color hetereodyne interferometric apparatus and method for sizing nanoparticles |
| EP2023127B1 (en) * | 2006-05-31 | 2017-12-20 | Olympus Corporation | Biological specimen imaging method and biological specimen imaging apparatus |
| US9316578B2 (en) * | 2008-10-30 | 2016-04-19 | New York University | Automated real-time particle characterization and three-dimensional velocimetry with holographic video microscopy |
| CA2842377C (en) * | 2011-07-19 | 2019-08-27 | Ovizio Imaging Systems N.V. | A method and system for detecting and/or classifying cancerous cells in a cell sample |
| US8934103B2 (en) * | 2011-12-22 | 2015-01-13 | General Electric Company | Quantitative phase microscopy for label-free high-contrast cell imaging |
| US8837045B2 (en) * | 2012-09-21 | 2014-09-16 | The Board Of Trustees Of The University Of Illinois | Diffraction phase microscopy with white light |
| FR3027107B1 (fr) * | 2014-10-09 | 2019-09-13 | Espci Paristech | Methode et dispositif de detection optique de nanoparticules dans un echantillon fluide |
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Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20070030492A1 (en) * | 2005-05-04 | 2007-02-08 | Lukas Novotny | Apparatus and method for sizing nanoparticles based on optical forces and interferometric field detection |
| US20090290156A1 (en) * | 2008-05-21 | 2009-11-26 | The Board Of Trustee Of The University Of Illinois | Spatial light interference microscopy and fourier transform light scattering for cell and tissue characterization |
| WO2012035170A1 (en) * | 2010-09-17 | 2012-03-22 | Lltech Inc. | Optical tissue sectioning using full field optical coherence tomography |
| KR20130115891A (ko) * | 2012-04-13 | 2013-10-22 | 한국과학기술원 | 광량 변조와 스캐닝 시스템 기반의 구조 조명 현미경 |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20180056421A (ko) * | 2015-09-18 | 2018-05-28 | 뉴욕 유니버시티 | 정밀 슬러리 내 대형 불순물 입자의 홀로그래픽 검출 및 특성화 |
| KR20210107827A (ko) * | 2019-03-23 | 2021-09-01 | 호리바 인스트루먼츠 인코포레이티드 | 콜로이드 내의 나노 입자들의 크기를 결정하는 개선된 방법 |
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