KR20220006182A - 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 증폭 장치 - Google Patents

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Abstract

표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 증폭 장치가 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 증폭 장치는, 제1광을 발광하는 광원; 상기 광원의 하부측에 형성되며, 상기 제1광을 상기 광원의 반대 방향으로 수집하도록 형성되는 제1렌즈부; 상기 제1렌즈부의 하부측에 형성되며, 상기 제1광의 노이즈를 제거하도록 형성되는 제1필터부; 상기 제1광을 전달받아 표면 플라즈몬 효과를 발생시켜 증폭된 광인 제2광을 생성하는 증폭부; 상기 제2광을 일 방향으로 수집하도록 형성되는 제2렌즈부; 상기 제2렌즈부를 통과한 상기 제2광의 진행 방향으로 형성되며, 상기 제2광의 노이즈를 제거하도록 구비되는 제2필터부; 및 상기 제2필터부를 통과한 상기 제2광의 진행 방향으로 형성되며, 상기 제 2광의 세기를 측정하도록 형성되는 측정부;를 포함하며, 상기 증폭부는, 유리로 형성되는 유전체층; 상기 유전체층의 상부에 크롬으로 형성되는 제1도금층; 상기 제1도금층의 상부에 은으로 형성되는 광 도파로 층; 상기 광 도파로 층의 상부에 금으로 형성되는 제2도금층; 및 상기 제2도금층에 결합하는 물질에 포함된 형광체로 형성되는 형광체층;을 포함하도록 형성되며, 상기 제2광의 진행 방향에 따라 L 모드 또는 P 모드로 형성된다.

Description

표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 증폭 장치{Light amplifier device by surface plasmon resonance}
본 발명은 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 증폭 장치에 관한 것으로, 특히, 표면 플라즈몬 공명을 이용하여 입사광을 증폭하는 증폭 장치에 관한 것이다.
현재, 형광은 의료 진단 검사, 바이오 물질의 표지(label), 형광관과 같은 광원, 이미징(imaging), 반도체 등 무기/유기물성의 연구, 우주선(cosmic ray) 검출, 광물학, 환경 감시 등 다양한 분야에서 응용되고 있다.
그러나, 이러한 다양한 분야에서 응용되는 일반적인 형광기법은 주로 자외선(UV)이나 파장이 짧은 가시광선 영역의 청색광 계열을 여기(excitation) 광원으로 사용하기 때문에 슬라이드 글라스, 물 또는 기타 유/무기 물질 등에서 원치 않게 자가형광(autofluorescence)이 발생할 수 있으며, 이러한 자가형광은 형광의 신호 대 잡음 비율(signal-to-noise ratio)를 악화시키는 문제점이 존재한다.
또, 여기된 형광분자 사이의 상호작용으로 인해서 발생하는 광표백(photo-blenching) 효과로 인하여 형광 염료를 높은 농도로 사용하거나 강한 여기 광원을 사용하는 경우 형광 분자가 광화학적으로 불안정하여 광분해(photo-degradation)하게 되는 문제점도 존재한다.
또한, 형광분자에서 사방으로 발산하는 형광 신호를 광학 수집기(높은 수차를 갖는 대물렌즈 또는 비구면 렌즈)를 이용하여 채집하는데, 일반적인 경우 약 1%의 낮은 채집 효율을 가지므로, 혈액을 이용한 다채널 분석 등의 미량의 타겟 물질을 검출해야 하는 경우, 광전 증폭관(PMT, PhotoMultiplier Tube)등과 같이 검출 신호 증폭 기술을 갖춘 고가의 광전자 검출기를 사용하여야 하는 문제점이 존재한다.
한국공개특허 제10-2009-0064917호
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예는 표면 플라즈몬 효과를 이용하여 형광 신호를 증폭함으로써 높은 감도를 가지며 형광을 측정할 수 있는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 증폭 장치를 제공하고자 한다.
위와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 증폭 장치가 제공된다. 상기 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 증폭 장치는, 제1광을 발광하는 광원; 상기 광원의 하부측에 형성되며, 상기 제1광을 상기 광원의 반대 방향으로 수집하도록 형성되는 제1렌즈부; 상기 제1렌즈부의 하부측에 형성되며, 상기 제1광의 노이즈를 제거하도록 형성되는 제1필터부; 상기 제1광을 전달받아 표면 플라즈몬 효과를 발생시켜 증폭된 광인 제2광을 생성하는 증폭부; 상기 제2광을 일 방향으로 수집하도록 형성되는 제2렌즈부; 상기 제2렌즈부를 통과한 상기 제2광의 진행 방향으로 형성되며, 상기 제2광의 노이즈를 제거하도록 구비되는 제2필터부; 및 상기 제2필터부를 통과한 상기 제2광의 진행 방향으로 형성되며, 상기 제 2광의 세기를 측정하도록 형성되는 측정부;를 포함하며, 상기 증폭부는, 유리로 형성되는 유전체층; 상기 유전체층의 상부에 크롬으로 형성되는 제1도금층; 상기 제1도금층의 상부에 은으로 형성되는 광 도파로 층; 상기 광 도파로 층의 상부에 금으로 형성되는 제2도금층; 및 상기 제2도금층에 결합하는 물질에 포함된 형광체로 형성되는 형광체층;을 포함하도록 형성되며, 상기 제2광의 진행 방향에 따라 L 모드 또는 P 모드로 형성된다.
상기 L 모드는, 상기 제2광의 진행 방향이 상기 증폭부의 측면 방향이며, 상기 측면 방향으로 상기 제2렌즈부, 상기 제2필터부 및 상기 측정부가 순서대로 형성될 수 있다.
상기 P 모드는, 프리즘의 빗면이 아닌 다른 면이 상기 증폭부의 하부에 결합되며, 상기 제2광의 진행방향이 상기 프리즘의 빗면 방향이며, 상기 빗면 방향으로 상기 제2렌즈부, 상기 제2필터부 및 상기 측정부가 순서대로 형성될 수 있다.
상기 형광체층은, 트로포닌 I(Troponin I, TnI)의 항체가 2차에 걸쳐 상기 제2금속층에 결합하며, 상기 형광체를 포함하는 트로포닌 I가 상기 트로포닌 I의 2차 항체에 결합하여 상기 형광체로 형성될 수 잇다.
상기 제1도금층은, 2nm 내외로 형성되며, 상기 광 도파로 층은, 50nm 내외로 형성되고, 상기 제2도금층은, 2nm 내외로 형성될 수 있다.
상기 제1광은 LED로 형성되는 상기 광원으로부터 방출되며, 중심 파장값이 470nm로 형성되고, 상기 제2광은, 상기 증폭부로부터 방출되며, 중심 파장값이 525nm로 형성될 수 있다.
상기 제1필터부는, 상기 제1광 중 450nm 내지 490nm의 범위를 벗어나는 파장을 제1노이즈로 판단하여 제거하도록 형성될 수 있다.
상기 제2필터부는, 상기 제2광 중 500nm 내지 550nm의 범위를 벗어나는 파장을 제2노이즈로 판단하여 제거하도록 형성될 수 있다.
상기 제1렌즈부는, 일 면이 볼록한 형태로 형성되어 상기 제1광을 초점으로 모이도록 하는 콜리메이터 렌즈로 형성될 수 있다.
상기 제2렌즈부는, 상기 제2광을 일 방향으로 모이도록 하는 컨벡스 렌즈로 형성될 수 있다.
상기 제1필터부와 상기 증폭부 사이에 상기 제1노이즈가 제거된 상기 제1광의 광량을 조절하도록 형성되는 조리개부;를 더 포함할 수 있다.
상기 제2필터부와 상기 측정부 사이에 상기 제2노이즈가 제거된 상기 제2광의 광량을 일괄적으로 필터링 할 수 있는 ND 필터부;를 더 포함할 수 있다.
상기 증폭부는, 상기 유전체층 하부에 1.35 내지 1.45의 유전율을 가지는 물질이 복수개의 피라미드 형태로 형성되는 실리콘 첨가제(Polydimethylsiloxane, PDMS)층을 더 포함할 수 있다.
상기 P 모드는, 상기 프리즘과 상기 측정부를 결합하기 위해 이멀젼 오일을 사용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 증폭 장치는 형광 물질에서 발생하는 형광을 증폭시켜 측정 센서가 종래보다 많은 양의 형광을 측정하도록 할 수 있는 효과가 있다.
또, 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 증폭 장치는, 필터를 이용하여 생성되는 노이즈를 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 증폭 장치의 a) L 모드 및 b) P 모드의 구성을 나타낸 도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 증폭 장치의 증폭부의 구성을 간단히 나타낸 도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 증폭 장치의 증폭부에 2차 항체가 결합하는 과정을 간단히 나타낸 도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 증폭 장치의 다양한 실험 결과를 나타낸 도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 증폭 장치의 a) L 모드 및 b) P 모드의 구성을 나타낸 도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 증폭 장치의 증폭부의 구성을 간단히 나타낸 도이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 증폭 장치의 증폭부에 2차 항체가 결합하는 과정을 간단히 나타낸 도이다.
이하에서는 도 1 내지 도 3을 이용하여 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 증폭 장치에 대해 상세히 설명하도록 한다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 증폭 장치는 a) L 모드 또는 b) P 모드로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 증폭 장치(100)는 광원(110), 제1렌즈부(120), 제1필터부(130), 증폭부(140), 제2렌즈부(150), 제2필터부(160) 및 측정부(170)를 포함하도록 형성된다.
광원(110)은 제1광을 일 방향으로 방출하도록 형성된다(A). 제1광은 470nm의 중심 파장값을 가지는 청색광 계열의 가시광선일 수 있으며, 광원(110)은 바람직하게는 이를 위해 청색 LED로 형성될 수 있다.
제1렌즈부(120)는, 광원(110)의 하부측에 형성된다. 제1렌즈부(120)는 광원(110)에서 방출된 제1광을 수집하도록 형성되며, 바람직하게는 일 측이 볼록한 형태로 형성되어 제1광을 제1렌즈부(120)의 초점 방향으로 수집하는 콜리메이터 렌즈로 형성될 수 있다(B).
제1필터부(130)는, 제1렌즈부(120)의 하부측에 형성된다. 제1필터부(130)는 제1렌즈부(120)를 통과하여 제1렌즈부(120)의 초점 방향으로 수집되는 제1광을 전달받아 노이즈를 제거하도록 형성된다(C).
제1필터부(130)는 제1광이 제1필터부(130)를 통과하면서 제1광에 포함된 제1노이즈를 제거할 수 있도록 구비될 수 있다.
광원(110)이 470nm인 청색광 계열의 가시광선을 제1광으로 생성하더라도, 제1광은 470nm의 단일파장을 갖지 않고 다양한 파장의 노이즈가 포함된다. 이러한 노이즈는 후술되는 증폭부(140)에서 형광을 생성할 때 영향을 줄 수 있기 때문에 최소한의 노이즈를 가지는 제1광이 증폭부(140)로 이동하여야 한다.
따라서, 제1필터부(130)는 바람직하게는 제1광의 중심값인 470nm를 기준으로 최소 20nm 이상의 오차를 가지는 파장을 제1노이즈로 하여 제거할 수 있도록, 450nm 내지 490nm의 광만 통과할 수 있는 필터로 형성될 수 있다.
다시 말해 제1필터부(130)는 제1광중 450nm 내지 490nm의 범위에 포함되는 파장만 통과시키고 나머지 길이의 파장을 제1노이즈로 판단하여 필터링 하도록 형성된다.
이를 이용하여 제1광은 제1필터부(130)를 통과하면서 제1노이즈가 제거되어 450nm 내지 490nm인 청색 계열의 파장인 빛으로 증폭부(140)에 입사될 수 있다(B).
증폭부(140)는 제1필터부(130)의 하부이자 제1광의 진행방향에 형성된다. 증폭부(140)는 제1필터부(130)를 통과하여 제1노이즈가 제거된 제1광을 전달받아 제2광인 형광을 생성하고, 표면 플라즈몬 공명 효과를 이용하여 제2광을 증폭하도록 형성되며(D), 바람직하게는 증폭부(140)는 470nm의 파장을 중심값으로 가지는 청색 계열의 제1광을 525nm 파장을 중심값으로 가지는 녹색 계열의 제2광으로 변환시킬 수 있다.
이를 위해 증폭부(140)는 도 2에 도시되고 있는 구성을 이용할 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 증폭부(140)는, 유전체층(210), 제1도금층(220), 광 도파로층(230), 제2도금층(240) 및 형광체층(250)으로 형성된다.
유전체층(210)은 제1도금층(220) 내지 형광체층(250)을 형성하기 위한 베이스로 구비된다. 이때, 유전체층(210)은 바람직하게는 굴절율이 1.45 내지 1.55인 물질로 형성될 수 있다.
제1도금층(220)은 유전체층(210)의 상부에 형성되며, 광 도파로층(230)은 제1도금층(220)의 상부에 형성되고, 제2도금층(240)은 광 도파로층(230)의 상부에 형성되며, 형광체층(250)은 제2도금층(240)의 상부에 결합하도록 형성된다.
이러한 구조를 통해 증폭부(140)는, 제1광을 전달받아 형광체층(250)을 통과시키며 중심 파장값이 다른 제2광을 생성하고, 제1도금층(220) 및 제2도금층(240) 사이에 형성되는 광 도파로층(230)을 이용하여 표면 플라즈몬 효과를 발생시켜 형광체층(250)을 통과하며 생성된 제2광을 증폭할 수 있다.
이때, 증폭부(140)는 바람직하게는 유전체층(210)은 유리로 형성되며, 제1도금층(220)은 크롬으로 형성되고, 광 도파로층(230)은 은으로 형성되며, 제2도금층(240)은 금으로 형성될 수 있다.
또, 높은 효율로 제2광을 증폭하기위해, 제1도금층(220)은 2nm 내외로 형성되고, 광 도파로층(230)은 50nm 내외로 형성되며, 제2도금층(240)은 2nm 내외로 형성될 수 있다.
형광체층(250)은 제2도금층(240)의 상부측에 결합되도록 형성될 수 있다. 형광체층(250)은, 형광체를 포함하고 있는 트로포닌 I(Troponin I, TnI)의 2차 안티 바디, 즉 2차 항체가 제2도금층(240)의 상부측에 결합되면서 형성된다.
이러한 형광체층(250)이 형성되는 간단한 순서가 도 3에 도시되고 있다. 도 3을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 형광체층은, 제2금속층 표면에 시스타민 처리를 수행하는 단계(S310), 트로포닌 I의 1차 항체를 결합하고 1차 PBS 워싱을 수행하는 단계(S320), 일정 농도의 BSA 단백질을 포함하는 PBS에 처리한 후 2차 PBS 워싱을 수행하는 단계(S330), 트로포닌 I 처리를 수행하고 3차 PBS 워싱을 수행하는 단계(S340) 및 형광체와 결합한 트로포닌 I의 2차 항체를 결합하고 후처리를 수행하는 단계(S350)를 이용하여 생성된다.
본 발명의 일 실시예에 다른 형광체층을 생성하기 위해서는 먼저 제2금속층 표면에 2시간의 시스타민 처리를 수행하여 제2금속층에 연결을 위한 가지(S-NH2)를 형성하며(단계 S310), 이후 Tn I 1차 항체를 4℃에서 90분동안 처리한 후 1차 PBS 워싱을 수행하여(단계 S320) 가지의 일 단에 형성된 NH2에 1차 항체를 결합할 수 있다.
다음으로, 제2금속층은 3% 농도의 BSA 단백질을 포함하는 PBS 용액에서 15분동안 처리된 후 2차 PBS 워싱이 수행되어(단계 S330) BSA 단백질이 제2금속층의 표면에 증착되며, 30분의 Tn I 처리 및 3차 PBS 워싱을 통해(단계 S340) 1차 항체에 Tn I를 결합하도록 형성된다.
마지막으로, 증폭부는 1시간동안 37℃에서 배양되어 형광체와 결합한 Tn I의 2차 항체를 Tn I와 결합시켜 형광체층을 형성하고, 후처리로 4차 PBS 워싱 및 37℃에서 15분동안 건조를 수행한다(단계 S350).
이러한 단계를 통해 증폭부는 제2금속층에 형광체층을 형성할 수 있으며, 바람직하게는 형광체층은 Alexa-488이라는 형광물질로 형성될 수 있으며, 이로인해 형광체층은 470nm 파장을 중심값으로 가지는 청색 계열의 제1광을 525nm 파장을 중심값으로 가지는 녹색 계열의 제2광으로 변환시킬 수 있다.
상술한 도 2 및 도 3의 구성을 통해 본 발명의 일 실시예에 따른 증폭부(140)는, 제1광을 전달받아 증폭된 제2광을 생성하도록 형성된다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 증폭 장치(100)는, 도 1에서 상술한 바와 같이 a) L 모드 및 b) P 모드로 형성될 수 있다.
도 1a에 도시된 L 모드는, 제2렌즈부(150), 제2필터부(160) 및 측정부(170)가 증폭부(140)의 측면으로 형성되는 모드이며, 도 1b에 도시된 P 모드는, 증폭부(140)의 하부면에 프리즘이 형성되며, 제2렌즈부(150), 제2필터부(160) 및 측정부(170)가 프리즘의 빗면으로 형성되는 모드이다.
제2렌즈부(150)는, L 모드의 경우 증폭부(140)의 측면측에 형성되고, P 모드의 경우 증폭부(140)의 빗면측에 형성된다. 제2렌즈부(150)는 제2광을 전달받아 초점 방향으로 제2광을 수집하도록 형성될 수 있다.
제2렌즈부(150)는 이를 위해 일 측이 볼록한 비구면 볼록 렌즈 또는 복합 렌즈로 형성될 수 있으며, 제2렌즈부(150)로 입사된 제2광은(D), 제2렌즈부(150)를 통과하면서 제2렌즈부(150)의 초점 방향으로 진행방향이 변경되어 서로 모이도록 진행된다(E).
제2필터부(160)는, 제2광의 진행방향인 제2렌즈부(160)의 초점 방향에 구비되며, 제2광을 전달받아 노이즈를 제거하도록 형성된다. 제2필터부(160)는 제2광이 제2필터부(160)를 통과하면, 제2광에 포함된 제2노이즈를 제거하도록 형성될 수 있다.
여기서, 증폭부(140)가 제1광을 이용하여 525nm 파장을 중심값으로 가지는 녹색광 계열의 가시광선을 제2광으로 생성하더라도, 제2광은 525nm의 단일파장을 갖지 않고 다양한 파장의 노이즈가 포함된다. 이러한 노이즈는 후술되는 측정부(170)에서 형광량을 측정하는 과정에 영향을 미치기 때문에 최소한의 노이즈를 가지는 제2광이 측정부(170)로 이동하여야 한다.
따라서, 제2필터부(160)는 바람직하게는 제2광의 중심값인 525nm를 기준으로 최소 25nm 이상의 오차를 가지는 파장을 제2노이즈로 하여 제거할 수 있도록, 500nm 내지 550nm의 광만 통과할 수 있는 필터로 형성될 수 있다.
이를 이용하여 제2광은 제2필터부(160)를 통과하면서 제2노이즈가 제거되어 500nm 내지 550nm인 녹색 계열의 파장인 빛으로 측정부(170)에 입사될 수 있다(F).
마지막으로 측정부(170)는 제2광을 획득하여 형광량을 측정하도록 형성된다. 이를 위해 측정부(170)는 제2광의 진행방향인 제2필터부(160)의 일 측에 구비될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 증폭 장치(100)는, 제1렌즈부(120)와 제1필터부(130)의 순서가 바뀌어 구성되거나 제2렌즈부(150)와 제2필터부(160)의 순서가 바뀌어 구성되더라도 본 발명의 일 실시예와 동일한 동작 및 결과물을 획득할 수 있기 때문에 그 순서가 실시예에 한정되지는 않는다.
또 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 증폭 장치(100)는 증폭부(140)의 하부에 프리즘을 결합하기 위해 이멀젼 오일(Immersion oil)을 이용할 수 있으며, 측정부(170)의 전면에 ND 필터를 더 포함하도록 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 증폭 장치(100)는 유전체층(210)의 하부에 복수개의 피라미드 형태의 실리콘 첨가제(Polydimethylsiloxane, PDMS)가 더 형성될 수도 있다.
도 4에는 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 증폭 장치와 표면 플라즈몬 공명을 이용하지 않고 형광을 측정하는 일반 장치를 이용한 최종 광 측정량에 대한 비교 실험 결과가 나타나고 있다.
하기 표 1은, L 모드에서의 표면 플라즈몬 공명 사용 여부에 따른 모의 실험 결과이며, 하기 표 2는 P 모드에서의 표면 플라즈몬 공명 사용 여부에 따른 모의 실험 결과이다.
L 모드, LED 100mA, Voltage 0.5V, Filter 2.0 OD
Tn I 농도
[pg/mL]		 Non-SPCE SPCE 향상비
[S/NS]
유효전압
[mV]		 SD
[mV]		 유효전압
[mV]		 SD
[mV]
0.01 2.4267 0.16182 6.91903 1.03380 2.851210
0.05 1.85052 0.28216 22.33841 1.64855 12.07144
0.25 1.92905 0.72629 32.21718 3.45711 16.70106
0.50 1.31687 0.27930 36.44144 1.15219 27.67284
P 모드, LED 100mA, Voltage 0.5V, Filter 2.0 OD
Tn I 농도
[pg/mL]		 Non-SPCE SPCE 향상비
[S/NS]
유효전압
[mV]		 SD
[mV]		 유효전압
[mV]		 SD
[mV]
0.01 0.04108 0.00140 0.06803 0.000451 1.65588
0.05 0.02724 0.00725 0.18656 0.01157 6.84988
0.25 0.05347 0.00628 0.23374 0.00280 4.37155
0.50 0.01965 0.00133 0.25864 0.00219 13.16568
표 1 및 표 2를 살펴보면, 본 모의 실험에서는 Tn I의 농도를 0.01, 0.05, 0.25 및 0.50 pg/mL로 각각 설정하여 실험을 진행하였으며, 각각의 농도에서 표면 플라즈몬 공명이 발생하지 않는 Non-SPCE(이하 NS라 한다) 및 표면 플라즈몬 공명이 발생하는 SPCE(본 발명의 실시예, 이하 S라 한다)의 구조를 이용하여 각각 10회의 측정을 수행하였다.또, 본 모의실험에서는 광원(110)에 인가되는 전류를 100mA로, 전압을 0.5V로 고정하였으며, ND 필터로 2.0 OD를 가지는 필터를 사용하였다.
표 1 및 도 4a를 살펴보면, 본 모의 실험에서 L 모드로 NS 구조를 사용하여 Tn I를 검출하는 경우, 각각의 농도에서 2.4267, 1.85052, 1.92905 및 1.31687mV 등 2.5mV를 넘지 않는 광량이 검출되었다.
하지만, 이에 반해 본 발명의 일 실시예에 따른 구조인 S 구조를 사용하여 Tn I를 검출하는 경우, 각각의 농도에서, 6.91903, 22.33841, 32.21718 및 36.44144mV 등 약 7mV 내지 36mV의 광량을 검출하였다.
즉, 모의 실험을 통해 L 모드에서는 농도별로 차이가 존재하지만, S 구조에서는 표 1 및 도 4b에 나타나 있는 바와 같이 NS 구조에 비해 최소 2.85배에서 최대 27.68배의 향상비를 확인할 수 있다.
한편, 표 2 및 도 4c를 살펴보면, 본 모의 실험에서 P 모드로 NS 구조를 사용하여 Tn I를 검출하는 경우, 각각의 농도에서 0.04108, 0.02724, 0.05347 및 0.01965mV로 0.06mV를 넘지 않는 광량이 검출되었다.
하지만, 이에 반해 본 발명의 일 실시예에 따른 구조인 S 구조를 사용하여 Tn I를 검출하는 경우, 각각의 농도에서 0.06803, 0.18656, 0.023374 및 0.25864mV로 약 0.068mV 내지 0.26mV의 광량을 검출하였다.
즉, 모의 실험을 통해 P 모드에서는 농도별로 차이가 존재하지만, S 구조에서는 표 2 및 도 4d에 나타나 있는 바와 같이 NS 구조에 비해 최소 1.66배에서 최대 13.17배의 향상비를 확인할 수 있다.
상술한 모의실험을 정리하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 증폭 장치는, 종래의 표면 플라즈몬 공명을 사용하지 않는 장치에 비하여 획득하는 형광량이 월등히 높게 나타나며, 이는 본 발명의 구성이 종래보다 월등한 효과를 가지는 것을 뒷받침 하는 실험 결과이다.
이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
100: 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 증폭 장치
110: 광원 120: 제1렌즈부
130: 제1필터부 140: 증폭부
150: 제2렌즈부 160: 제2필터부
170: 측정부 210: 유전체층
220: 제1금속층 230: 광 도파로층
240: 제2금속층 250: 형광체층

Claims (14)

  1. 제1광을 발광하는 광원;
    상기 광원의 하부측에 형성되며, 상기 제1광을 상기 광원의 반대 방향으로 수집하도록 형성되는 제1렌즈부;
    상기 제1렌즈부의 하부측에 형성되며, 상기 제1광의 노이즈를 제거하도록 형성되는 제1필터부;
    상기 제1광을 전달받아 표면 플라즈몬 효과를 발생시켜 증폭된 광인 제2광을 생성하는 증폭부;
    상기 제2광을 일 방향으로 수집하도록 형성되는 제2렌즈부;
    상기 제2렌즈부를 통과한 상기 제2광의 진행 방향으로 형성되며, 상기 제2광의 노이즈를 제거하도록 구비되는 제2필터부; 및
    상기 제2필터부를 통과한 상기 제2광의 진행 방향으로 형성되며, 상기 제 2광의 세기를 측정하도록 형성되는 측정부;를 포함하며,
    상기 증폭부는,
    유리로 형성되는 유전체층;
    상기 유전체층의 상부에 크롬으로 형성되는 제1도금층;
    상기 제1도금층의 상부에 은으로 형성되는 광 도파로 층;
    상기 광 도파로 층의 상부에 금으로 형성되는 제2도금층; 및
    상기 제2도금층에 결합하는 물질에 포함된 형광체로 형성되는 형광체층;을 포함하도록 형성되며,
    상기 제2광의 진행 방향에 따라 L 모드 또는 P 모드로 형성되는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 증폭 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 L 모드는,
    상기 제2광의 진행 방향이 상기 증폭부의 측면 방향이며,
    상기 측면 방향으로 상기 제2렌즈부, 상기 제2필터부 및 상기 측정부가 순서대로 형성되는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 증폭 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 P 모드는,
    프리즘의 빗면이 아닌 다른 면이 상기 증폭부의 하부에 결합되며,
    상기 제2광의 진행방향이 상기 프리즘의 빗면 방향이며,
    상기 빗면 방향으로 상기 제2렌즈부, 상기 제2필터부 및 상기 측정부가 순서대로 형성되는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 증폭 장치.
  4. 제 2항 또는 제 3항에 있어서,
    상기 형광체층은, 트로포닌 I(Troponin I, TnI)의 항체가 2차에 걸쳐 상기 제2금속층에 결합하며, 상기 형광체를 포함하는 트로포닌 I가 상기 트로포닌 I의 2차 항체에 결합하여 형성되는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 증폭 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 제1도금층은, 2nm 내외로 형성되며,
    상기 광 도파로 층은, 50nm 내외로 형성되고,
    상기 제2도금층은, 2nm 내외로 형성되는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 증폭 장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 제1광은 LED로 형성되는 상기 광원으로부터 방출되며, 중심 파장값이 470nm로 형성되고,
    상기 제2광은, 상기 증폭부로부터 방출되며, 중심 파장값이 525nm로 형성되는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 증폭 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 제1필터부는, 상기 제1광 중 450nm 내지 490nm의 범위를 벗어나는 파장을 제1노이즈로 판단하여 제거하도록 형성되는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 증폭 장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 제2필터부는, 상기 제2광 중 500nm 내지 550nm의 범위를 벗어나는 파장을 제2노이즈로 판단하여 제거하도록 형성되는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 증폭 장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 제1렌즈부는, 일 면이 볼록한 형태로 형성되어 상기 제1광을 초점으로 모이도록 하는 콜리메이터 렌즈로 형성되는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 증폭 장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 제2렌즈부는, 상기 제2광을 일 방향으로 모이도록 하는 컨벡스 렌즈로 형성되는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 증폭 장치.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 제1필터부와 상기 증폭부 사이에 상기 제1노이즈가 제거된 상기 제1광의 광량을 조절하도록 형성되는 조리개부;를 더 포함하는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 증폭 장치.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 제2필터부와 상기 측정부 사이에 상기 제2노이즈가 제거된 상기 제2광의 광량을 일괄적으로 필터링 할 수 있는 ND 필터부;를 더 포함하는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 증폭 장치.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 증폭부는, 상기 유전체층 하부에 1.35 내지 1.45의 유전율을 가지는 물질이 복수개의 피라미드 형태로 형성되는 실리콘 첨가제(Polydimethylsiloxane, PDMS)층을 더 포함하는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 증폭 장치.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 P 모드는, 상기 프리즘과 상기 측정부를 결합하기 위해 이멀젼 오일을 사용하는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 증폭 장치.
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