KR20220134419A - 카이롭티컬 분광 플랫폼, 및 이를 이용한 라만 데이터 획득 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 빛과 기판 모두에 카이랄 성을 부여하고 빛과 기판의 chiral matter-light coupling 현상을 이용하여 하나의 샘플로부터 많은 수의 데이터를 획득할 수 있으며, 동시에 데이터 품질 향상이 가능한 카이롭티컬 분광 플랫폼에 관한 것이다.
Description
본 발명은 표면 증강 라만 산란(SERS) 플랫폼에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 카이랄(chiral)한 원형 편광과 카이랄 기판을 적용한 카이롭티컬 분광 플랫폼에 관한 것이다.
유전자와 단백질에 대한 연구는 병의 진단을 예측할 수 있는 새로운 생물학적표지(biomarker) 유추에 기회를 제공하였다. 특히 암과 같은 질병은 발병 초기에 정확한 진단을 통해서 병의 완치가 가능하며, 재발을 막을 수 있는 가능성을 보여준다. 그래서 이와 같은 항원 항체 반응에 의한 생물학적표지물의 조기 검출을 위한 진단용 센서개발에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 센서는 의료진단 이외에도 보건, 환경, 군사, 식품 등의 다양한 분야에 적용이 가능하여 매우 다양한 형태의 연구가 진행 중이다.
SERS(Surface-Enhanced Raman Scattering, 이하 SERS) 분광법은 금, 은 등의 금속 나노구조 표면에 분자가 흡착될 때 라만산란의 세기가 급격히 106 ~ 108 배 이상 증가되는 현상을 이용한 분광법이다. 현재 아주 빠른 속도로 발전하고 있는 나노 기술과 결합하여 단 하나의 분자를 직접 측정할 수 있는 고감도의 기술로 발전가능하며, 특히 메디컬 센서로서 긴요하게 쓰일 수 있을 것으로 많은 기대를 받고 있다.
이러한 SERS 센서는 분자가 흡착했을 때 저항이 변하는 전기적 나노센서에 비하여 커다란 기술적 우위에 있는데 그 까닭은 저항센서는 측정값이 스칼라인데 비해 SERS 센서는 벡터량의 데이터인 전체의 스펙트럼을 얻으므로 한 번의 측정으로 획득하는 정보량이 훨씬 크기 때문이다.
고감도 DNA 분석과 더불어 현재 SERS 센서를 이용하여 알쯔하이머 병 혹은 당뇨병 등을 비롯한 다양한 질병의 초기 진단을 수행하려는 연구가 활발히 진행되고 있다.
즉, SERS 현상은 라만 분광법이 제공하였던 분자의 진동 상태, 혹은 분자 구조에 대한 정보를 직접 제공한다는 면에서 레이저 형광 분석법과 같은 기존의 측정 기술에 비하여 고선택성 및 고정보성을 갖는 측정 기술이라고 할 수 있으며, 초고감도의 화학적/생물학적/생화학적 분석을 위한 강력한 분석방법으로 인정받고 있다.
이러한 장점에도 불구하고 SERS 현상은 ①메커니즘이 완벽하게 이해되지 않았을 뿐 아니라 ②정확하게 구조적으로 정의되어 있는 나노 물질 합성 및 제어의 어려움과 ③스펙트럼을 측정할 때 사용되는 빛의 파장, 편광 방향에 따른 증강효율의 변화 등으로 인해 재현성 및 신뢰성 측면에서 해결해야할 문제가 많으며, 이는 나노-바이오센서의 개발 및 상용화를 비롯한 SERS 현상의 응용에 커다란 숙제로 남겨져 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 구조적으로 정확하게 정의되어 있는 나노 물질(well-defined nanostructure)의 광학적 성질에 대한 이해와 이를 이용하여 SERS 현상을 정확하게 제어하기 위한 연구의 필요성이 몹시 커지고 있는 상황이다.
한편, 낮은 가격에 적은 샘플양으로부터 최대의 정보를 얻을 수 있는 멀티플렉스(Multiplex)하고 민감하면서 특정한 DNA만을 검출하는 기술은 유전자 프로파일링(gene profiling), 약물 스크리닝(drug screening), 질병 진단과 같은 바이오메디컬 연구분야에서 그 필요성이 크게 대두되고 있다.
그러므로, 간단하고 믿을 수 있으며 빠르게 다수의 DNAs를 한 번의 분석으로 검출하는 방법이 형광, SPR, 전기적 신호, 그리고 질량 변화의 측정과 같은 다양한 검출 방법을 이용해 개발되어 왔다.
다양한 DNA 검출 방법 중에서도, 형광은 멀티플렉스 DNA 검출을 위해 일반적으로 선호되는 기술이다. 하지만, SERS 또한 무표지 멀티플렉스 DNA 검출을 위한 매력적인 방법으로 생각되어 왔는데, 이는 단 분자 수준의 감도, SERS 스펙트라의 분자 특이성, 단일 여기 소스(excitation source)의 유효성, 그리고 습도, 산소, 또는 다른 물질에 의한 quenching이 없는 점 때문이다.
이러한 주목할 만한 장점들 때문에 많은 독창적인 SERS 센싱 플랫폼(sensing platforms)이 개발되고 있다. 하지만, 나노구조에 의존하는 SERS 신호 재현성 및 한 번에 적은 양의 샘플양으로 다양한 타겟 DNA를 검출하는 것이 실제 멀티플렉스 DNA 검출을 위한 SERS 플랫폼 개발에 있어서 여전히 넘어야 할 과제로 남아 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 빛과 기판 모두에 카이랄 성을 부여하고, 빛과 기판의 chiral matter-light coupling 현상을 이용하여 하나의 샘플로부터 많은 수의 바이오 빅데이터를 획득할 수 있는 카이롭티컬 분광 플랫폼을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 데이터량의 증폭뿐만 아니라, 데이터 품질 향상과 동시에 플랫폼 제작 비용도 감소시킬 수 있는 플랫폼을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 예에 따른 카이롭티컬 분광 플랫폼은, 서로 다른 핸드니스를 가지는 다수개의 빛을 조사하는 광원부; 및 서로 다른 카이랄리티를 가지는 다수개의 기판;을 포함하며, 상기 광원부는, 상기 다수개의 빛 각각을 상기 다수개의 기판 각각에 조사할 수 있다.
상기 다수개의 빛 각각이 상기 다수개의 기판 각각에 조사되어 상기 빛 각각의 핸드니스와 상기 기판 각각의 카이랄리티가 커플링될 수 있다.
상기 빛 각각이 상기 각 기판 상의 샘플에 조사되어 상기 샘플로부터 방사되는 라만 산란광을 검출하는 검출부; 및 상기 검출부로부터 상기 샘플의 라만 산란광에 대한 정보를 전달받아 라만 데이터를 생성하는 데이터부;를 더 포함할 수 있다.
상기 광원부가 조사하는 다수개의 빛은, 좌원편광(left-circular polarization light), 우원편광(right-circular polarization light), 및 비편광(unpolarized light)을 포함할 수 있다.
상기 다수개의 기판은, 우-카이랄(right-handed chiral) 산란 특성을 가지는 우-카이랄리티 기판, 좌-카이랄(left-handed chiral) 산란 특성을 가지는 좌-카이랄리티 기판, 및 비-카이랄(non-chiral) 산란 특성을 가지는 비-카이랄리티 기판을 포함할 수 있다.
상기 각 기판은, 베이스 기판 상에 금속 나노 구조체가 형성된 구조로 이루어질 수 있다.
상기 금속 나노 구조체는, 상기 베이스 기판 상에 서로 이격되어 수직하게 배열된 나노 로드들을 포함할 수 있다.
상기 우-카이랄리티 기판은 상기 나노 로드들 각각이 우측방향으로 회전하는 형태를 가지고, 상기 좌-카이랄리티 기판은 상기 나노 로드들 각각이 좌측방향으로 회전하는 형태를 가지고, 상기 비-카이랄리티 기판은 상기 나노 로드들 각각이 직선 형태를 가질 수 있다.
상기 금속 나노 구조체는, 상기 베이스 기판 상에 배열되는 카이랄 나노 스파이크 파티클을 포함할 수 있다.
상기 각 기판은, 베이스 기판 상에 나노 패턴층이 형성된 구조로 이루어질 수 있다.
상기 베이스 기판은 저굴절률 물질로 이루어질 수 있다.
상기 우-카이랄리티 기판은 상기 나노 패턴층이 우-카이랄 산란 특성을 가지는 고굴절률 유전체로 이루어지고, 상기 좌-카이랄리티 기판은 상기 나노 패턴층이 좌-카이랄 산란 특성을 가지는 고굴절률 유전체로 이루어지고, 상기 비-카이랄리티 기판은 상기 나노 패턴층이 비-카이랄 산란 특성을 가지는 고굴절률 유전체로 이루어질 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따른 라만 데이터 획득 방법은, 서로 다른 핸드니스를 가지는 빛 각각을 서로 다른 카이랄리티를 가지는 기판 각각에 조사하는 단계; 상기 빛 각각이 상기 각 기판 상의 샘플에 조사되어 상기 샘플로부터 방사되는 라만 산란광을 검출하는 단계; 및 상기 라만 산란광에 대한 정보를 기초로 라만 데이터를 생성하는 단계;를 포함하며, 상기 라만 산란광은, 상기 빛 각각의 핸드니스와 상기 기판 각각의 카이랄리티가 커플링되어 상기 샘플로부터 방사되는 산란광일 수 있다.
상기 서로 다른 핸드니스를 가지는 빛 각각의 종류는 n개이고, 상기 서로 다른 카이랄리티를 가지는 기판 각각의 종류는 m개이며, 이에 따라, 하나의 상기 샘플부터 검출 가능한 라만 산란광의 수가 n×m개가 될 수 있다(상기 n, m은 2 이상의 자연수).
상기 라만 데이터는, 라만 스펙트럼(Raman spectrum) 및 ROA(Raman optical acitivity)를 포함할 수 있다.
상기 서로 다른 핸드니스를 가지는 빛은, 우원편광, 좌원편광, 및 비편광을 포함할 수 있다.
상기 서로 다른 카이랄리티를 가지는 기판은, 우-카이랄 산란 특성을 가지는 우-카이랄리티 기판, 좌-카이랄 산란 특성을 가지는 좌-카이랄리티 기판, 및 비-카이랄 산란 특성을 가지는 비-카이랄리티 기판을 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 하나의 샘플로부터 다수의 라만 산란광을 검출 가능하고, 이로부터 샘플에 대한 많은 수의 데이터를 획득할 수 있어, 머신러닝에 빅데이터를 제공할 수 있다.
동시에, 나노 파티클 또는 나노 로드들로 이루어진 금속 나노 구조체 기판, 또는 나노 패턴이 형성된 실리콘 기판을 이용하여 표면 증강 라만 산란의 효율을 증가시켜 고품질의 데이터를 획득할 수 있을 뿐 아니라, 많은 수의 데이터를 바탕으로 노이즈 제거가 가능해짐에 따라 더욱 선명한 데이터를 획득할 수 있다.
도 1은 종래 SERS 플랫폼과 본 발명에 따른 SERS 플랫폼의 비교 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 예에 따른 플랫폼을 나타낸다.
도 3은 noise 제거에 따른 고품질화된 데이터를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 제1 예에 따른 기판을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 제1 예에 따른 카이랄 스파이크 나노 파티클 기반 기판을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 제2 예에 따른 기판을 나타낸다.
도 7은 도 6의 기판을 이용하여 제작한 카이랄 SERS 플랫폼의 작동예를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 예에 따른 플랫폼을 나타낸다.
도 3은 noise 제거에 따른 고품질화된 데이터를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 제1 예에 따른 기판을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 제1 예에 따른 카이랄 스파이크 나노 파티클 기반 기판을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 제2 예에 따른 기판을 나타낸다.
도 7은 도 6의 기판을 이용하여 제작한 카이랄 SERS 플랫폼의 작동예를 나타낸다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 종래 SERS 플랫폼과 본 발명에 따른 SERS 플랫폼의 비교 개념도이다. 도 1의 (a)는 종래의 SERS 플랫폼을 나타낸 것으로, 도시된 바와 같이 종래의 SERS 플랫폼은 일반 광(normal light)을 일반 기판(normal subs) 상의 샘플(S)에 조사하여, 샘플로부터 방사되는 라만 산란광을 검출하여 라만 데이터(예를 들어, 라만 스펙트럼(Raman spectrum))을 얻을 수 있다. SERS 분광 기술을 통해 라만 산란광을 검출하는 원리는 배경기술에서 상술한 바와 같고, 일반적으로 널리 알려진 것이므로 상세한 설명은 생략한다. 종래에는 일반 광과 일반 기판을 이용하여 하나의 샘플에서 하나의 라만 산란광(IN,N)만이 방출되게 되므로, 하나의 샘플을 통해서 하나의 라만 스펙트럼만(Single Raman spectrum)이 획득 가능하였다. 이와 같이, 한 샘플로부터 얻을 수 있는 정보의 조합이 한 샘플에 하나의 경우의 수만 존재하므로 그 정보의 수가 제한적일 뿐만 아니라, 샘플 확보의 어려움으로 인해, 최근 많이 사용되고 발전중인 머신러닝의 빅 데이터로 쓰이기에 정보의 양이 턱없이 부족한 문제가 있다.
이에, 본 발명은 하나의 샘플로부터 많은 경우의 수의 정보를 획득하고, 이와 동시에 양질의 정보를 획득할 수 있는 SERS 플랫폼을 제공할 수 있다. 도 1의 (b)는 본 발명에 따른 SERS 플랫폼을 나타낸 것으로, 본 발명의 SERS 플랫폼은 서로 다른 핸드니스(handedness)를 가지는 다수개의 빛과, 서로 다른 카이랄리티(chirality)를 가지는 다수개의 기판을 이용하여, 각 빛과 기판 간의 조합을 통해 많은 정보를 획득할 수 있다.
도 1의 (b)에 도시된 SERS 플랫폼은 본 발명의 일 예에 해당하는 것으로, 두 종류의 핸드니스를 가지는 빛과 두 종류의 카이랄리티를 가지는 기판을 이용한 SERS 플랫폼을 나타낸다. 빛은 각각 우측편광과 좌측편광을 이용하였고, 기판은 우-카이랄 특성을 가지는 우-카이랄리티 기판과 좌-카이랄 특성을 가지는 좌-카이라릴티 기판을 이용하였다. 이와 같은 플랫폼 상에서, 빛 각각을 기판 각각에 조사하여 각 기판 상의 샘플로부터 라만 산란광이 방출되고, 이를 검출하여 라만 데이터를 획득할 수 있다.
빛과 기판 모두에 카이랄리티가 적용되어 빛 각각이 기판 각각에 입사되는 경우, 빛과 기판 사이에 상호작용(light-matter coupling) 현상이 일어나게 된다. 구체적으로, 기판에 입사되는 빛의 방향성(handedness)과 기판의 방향성(chirality)이 일치하면 강한 상호작용이 일어나고, 반대의 경우에는 약하게 상호작용하거나 상호작용을 하지 못하게 된다. 이러한 현상을 이용하면, 편광된 빛의 방향성과 기판의 방향성을 조합하여, 동일한 샘플로부터 많은 경우의 수의 정보(information rich)를 획득할 수 있다.
도 1(b)를 참조하면, 도면상 좌측에서 우측 방향으로, 우원편광과 우-카이럴리티 기판 간 상호작용에 의해 샘플로부터 제1 경우의 라만 산란광(IR,R)이 방출되고, 우원편광과 좌-카이랄리티 기판 간 상호작용에 의해 동일한 샘플로부터 제2 경우의 라만 산란광(IR,L)이 방출되고, 좌원편광과 우-카이랄리티 기판 간 상호작용에 의해 동일한 샘플로부터 제3 경우의 라만 산란광(IL,R)이 방출되며, 좌원편광과 좌-카이랄리티 기판 간 상호작용에 의해 동일한 샘플로부터 제4 경우의 라만 산란광(IL,L)이 방출될 수 있다.
즉, 본 발명에 의하면, 종래 하나의 샘플로부터 하나의 라만 산란광에 대한 정보만 획득할 수 있던 것에 비해, 빛과 기판의 카이랄리티가 증폭/감소 또는 중첩/상쇄되는 것을 이용하여 다양한 조합이 형성되고, 이로인해 하나의 샘플로부터 많은 경우의 수의 라만 산란광에 대한 정보를 획득할 수 있게 되어, 효율적이고 풍부한 데이터의 획득이 가능해진다. 또한 이때 데이터는 라만 스펙트럼(Raman spectrum) 및 ROA(Raman optical activity)를 포함할 수 있다. Raman spectrum은 산란광 IR,R+IL,R 등을 계산하여 얻어질 수 있고, ROA는 산란광 IR,R-IL,R 등을 계산하여 얻어질 수 있다. ROA의 경우, 본 발명과 같이 카이랄 편광을 이용했을 때만 얻을 수 있는 바이오 데이터로서, 분자의 구조까지 역추적이 가능하다. 이와 같이 하나의 기판에서 서로 다른 핸드니스를 가지는 빛을 입사시켜 Raman spectrum 및 ROA 계산을 통해 한 번에 여러 세트의 정보를 얻을 수 있어, 효율적이고 풍부한 데이터 획득이 가능해진다. 즉, 본 발명에 의하면 비교적 적은 수의 샘플로부터 다수의 데이터를 확보할 수 있게 하며, 효율적인 데이터 생산이 가능해지기 때문에, 데이터가 부족한 현 상황에서 빅데이터화라는 매우 중요한 기능을 수행할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 예에 따른 카이롭티컬 분광 플랫폼을 나타내는 것으로, 본 발명의 플랫폼(10)은, 서로 다른 핸드니스를 가지는 다수개의 빛을 조사하는 광원부(100)와, 서로 다른 카이랄리티를 가지는 다수개의 기판(200)을 포함할 수 있으며, 이때 광원부는 다수개의 빛 각각을 다수개의 기판 각각에 조사할 수 있다. 빛은 레이저 빔일 수 있으며, 기판은 베이스 기판 상에 나노 구조체로 이루어진 구조(또는 고굴절률 유전물질 기반 기판, 후술)일 수 있다.
서로 다른 핸드니스를 가지는 다수개의 빛 각각이 서로 다른 카이랄리티를 가지는 다수개의 기판 각각에 조사됨에 따라, 상술한 바와 같이 각 빛의 핸드니스에 각 기판의 카이랄리티가 커플링되고(보다 명확하게는, 각 빛의 핸드니스와 해당 빛이 조사되는 기판의 카이랄리티가 커플링된다), 카이랄리티가 커플링된 빛을 이용하여 각 기판 상의 샘플을 라만 분석할 수 있게 된다.
이를 위해 본 발명은 빛 각각이 각 기판 상의 샘플에 조사되어 샘플로부터 방사되는 라만 산란광(S)을 검출하는 검출부(300)와, 검출부로부터 샘플의 라만 산란광에 대한 정보를 전달받아 라만 데이터를 생성하는 데이터부(400)를 더 포함할 수 있다.
본 발명에서 샘플(Sample)은 특히 생체 분자일 수 있다. 생체 분자는 혈액을 포함한 체액과 생체 조직에 존재하는 것으로서, 생체 분자는 각각 고유의 카이랄성을 가지고 있으며, 이에 따라 본 발명에 의하면 빛, 생체분자, 기판 간 카이롭티컬 상호작용이 이루어질 수 있다. 이를 통해, 혈액 및 생체 조직 등의 샘플로부터 카이랄 센터의 ground electronic state의 광학 활성도와 vibrational excited state의 광학 활성도를 측정하여 고품질의 생체 데이터 추출이 가능해질 수 있다. 즉, 생체 분자의 카이랄성을 바탕으로, 입사되는 원형 편광된 빛에 대한 흡광 차이와 분자로부터 산란되어 나오는 빛의 카이랄성에 대한 시그널을 추출하여 생체 분자의 구조에 대한 정보를 얻을 수 있다. 구체적으로, 원형 편광의 방향성에 따라 다르게 방출되는 생체 분자의 ground electronic state의 광학 활성도와, 생체 분자에서 scattering 되는 빛의 원형 편광도를 통해 excited vibration state의 광학 활성도를 측정하여 생체 분자의 3D 구조적 정보를 추출할 수 있으며, 나아가 구조-성질(integrated structural functionality) 연관관계를 규명할 수 있다.
한편, 본 발명에서는 일 실시예로서, 광원부가 조사하는 다수개의 빛이 각각, 우원편광(RCP), 좌원편광(LCP) 및 비편광(N, Normal)으로 이루어질 수 있다. 우원편광은 빛이 진행하는 앞쪽에서 보았을 때 전기장이 시계 방향으로 회전하는 편광을 가진 빛이고, 좌원편광은 우원편광과 카이랄 대칭을 이루는 것으로 빛이 진행하는 앞쪽에서 보았을 때 전기장이 반시게 방향으로 회전하는 편광을 가진 빛이며, 비편광은 편광되지 않은 빛(무편광, unpolarized light)을 의미한다.
여기서, 상술한 바와 같이 바이오 분자들은 기본적으로 chirality를 가지고 있고, chiral matter-light coupling 현상과 동일하게, 편광되어 입사되는 빛의 방향성에 따라 다른 광학적 특성(흡수, 산란 등)을 보인다. 같은 샘플로부터 빛의 방향성을 바꿔가며 라만 데이터를 얻을 수 있으며, 추출한 데이터들을 비교, 분석하여 샘플 내 분자들에 의해 검출되는 peak들을 noise와 구분해낼 수 있다. 도 3은 noise 제거에 따른 고품질화된 데이터를 나타내는 그래프로서, 도시된 바와 같이 Signal to noise ratio를 획기적으로 높여 명확한 고품질 데이터를 제공할 수 있다. 이는 정상 샘플과 이상(예를 들어, 암) 샘플 간 구분을 명확히 하는 것은 물론이며, 나아가 암 환자 샘플 간 암 진행 단계에 따라 데이터들이 선명하게 구분될 수 있게 되어 특성선택 시 정확도를 높일 수 있다.
또한, 본 발명에서는 일 실시예로서, 다수개의 기판은 각각, 좌-카이랄 산란 특성을 가지는 좌-카이랄리티 기판(R-Subs), 우-카이랄 산란 특성을 가지는 우-카이랄리티 기판(L-Subs), 및 비-카이랄 산란 특성을 가지는 비-카이랄리티 기판(N-Subs)으로 이루어질 수 있다. 여기서 비-카이랄(non-chiral) 산란 특성이란 카이랄성을 가지지 않는 특성을 의미한다.
본 발명의 일 예에 의하면, 샘플에 입사되는 광원이 우원편광, 좌원편광 및 비편광으로 이루어지고, 샘플이 적하되는 기판이 우-카이랄리티 기판, 좌-카이랄리티 기판, 비-카이랄리티 기판으로 이루어지게 됨에 따라, 상술한 바와 같이 각 광원의 방향성과 각 기판의 방향성이 조합되어 하나의 동일한 샘플로부터 많은 수의 라만 산란광을 검출할 수 있게 된다.
즉, 본 발명에 의하면, 서로 다른 핸드니스를 가지는 빛 각각의 종류가 n개이고, 서로 다른 카이랄리티를 가지는 기판 각각의 종류가 m개인 경우, 하나의 샘플로부터 검출 가능한 라만 산란광의 수는 n×m개가 되어, 하나의 샘플로부터 많은 경우의 수의 데이터 획득이 가능하다. 도 2에 도시된 일 예로서 광원이 우/좌/비편광으로 이루어지고 기판이 우/좌/비 기판으로 이루어지는 경우에는 단 하나의 샘플로부터 9(3×3)개의 경우의 수의 라만 산란광이 검출 가능해지므로, 풍부한 데이터 획득이 가능해질 수 있다(여기서, n, m은 각각 2 이상의 자연수).
이상에서는 빛/기판, 또는 빛/기판/샘플 간 카이랄리티 조합으로부터 데이터 양을 증폭시키고 동시에 데이터를 고품질화 할 수 있는 점에 대해 설명하였다면, 이하에서는 기판의 특성을 이용하여 고품질의 데이터를 획득할 수 있는 방법에 대해 설명하도록 한다.
도 4는 본 발명의 제1 예에 따른 기판을 나타내는 것으로, 도시된 바와 같이 제1 예에 따른 기판(200A)은 베이스 기판(210A)과 베이스 기판 상에 형성되는 금속 나노구조체(220A)로 이루어진 구조일 수 있다. 여기서 각 나노 구조체는 베이스 기판 상에 서로 이격되어 수작하게 배열된 나노 로드(221A) 들로 이루어 질 수 있다. 기판은 카이랄리티를 지니고 있는 organic surface ligand로부터 inorganic 원자 배열에 카이랄리티를 부여하는 particle-to-particle 자가조립 방식을 이용하여 chiral gold nanorod를 합성하고, 이를 베이스 기판에 수직하게 배열시켜 제작될 수 있다.
이와 같이 제작된 각 기판은, 도 4에 도시된 바와 같이, 우-카이랄리티 기판은 나노 로드들 각각이 우측방향으로 회전하는 형태를 가져, 기판 상부에서 바라볼 때 시계방향으로 회전하는 형태일 수 있고, 좌-카이랄리티 기판은 나노 로드들 각각이 좌측방향으로 회전하는 형태를 가져, 기판 상부에서 바라볼 때 시계 반대방향으로 회전하는 형태일 수 있으며, 비-카이랄리티 기판은 상부에서 바라볼 때 나노 로드들 각각이 어느 방향으로도 회전하지 않는 직선 형태를 가질 수 있다.
이와 관련하여, 기존의 SERS는 plasmonic nanoparticle(Au, Ag 등)에 의한 surface plasmon resonance 현상으로 Raman spectrum을 증폭시키는 원리를 이용한 것으로서, plasmonic nanoparticle 사이 공간에 국부적으로 전기장에 강하게 형성되는 hot spot이 형성되어 샘플에 조사되는 입사광(incident light)과 샘플로부터 방사되는 산란광(scattered light)의 세기가 증폭되는 현상을 이용한 것이었다. 그러나, 나노체 표면에서 전기장이 지수함수적으로 감소하는 현상에 의해 검출 한계가 의료 기술에 쓰일 만큼 정교하지 않는 문제가 있었다. 이에 반해 본 발명은 전기장이 감소하는 현상을 나노 파티클 대신 나노 로드를 기판에 수직하게 배열하여 해결한 것으로서, 이는 나노 안테나 효과(nano-antenna effet)를 발생시켜 nanorod 사이에 형성되는 전기장을 감소시키지 않고 유지되도록 하여 더욱 증폭된 Raman spectrum을 얻을 수 있다. 또한, 도 5에 도시된 바와 같이 나노 파티클이 안테나 역할을 하는 스파이크들을 구현한 카이랄 나노 스파이크 파티클을 배열한 기판으로도 동일한 효과를 얻을 수 있다. 즉, 베이스 기판 상에 형성되는 금속 나노구조체는 카이랄 나노 스파이크 파티클을 포함할 수 있다.
도 6은 본 발명의 제2 예에 따른 기판을 나타내고, 도 7은 도 6의 기판을 이용하여 제작한 카이랄 SERS 플랫폼의 작동예를 나타낸다. 도시된 바와 같이 본 발명의 제2 예에 따른 기판(200B)은 베이스 기판(210B)과 베이스 기판(210B) 상에 나노 패턴(220B)이 형성된 구조로 이루어질 수 있다. 여기서 베이스 기판(210B)은 이산화규소(SiO2)등의 산화물과 같은 저굴절률 물질로 이루어질 수 있으며, 나노 패턴층(220B)은 카이랄 산란 특성을 가지는 실리콘(Si)과 같은 고굴절률을 가진 유전체(예를 들어, Ge, Te, SiC, GaP, TiO2 등)로 이루어질 수 있다.
보다 구체적으로, 본 발명의 제2 예에 따른 기판의 경우, 좌-카이랄리티 기판은 저굴절률 물질(예를 들어, SiO2, 이하 동일) 기판 상부 표면에 좌-카이랄 산란 특성을 가지는 고굴절률 유전체(예를 들어, Si, 이하 동일)나노 패턴층이 형성되고, 우-카이랄리티 기판은 저굴절률 물질 기판 상부 표면에 우-카이랄 산란 특성을 가지는 고굴절률 유전체 나노 패턴층이 형성되며, 비-카이랄리티 기판은 저굴절률 물질 기판 상부 표면에 비-카이랄 산란 특성을 가지는 고굴절률 유전체 나노 패턴층이 형성될 수 있다. 이때, 본 제2 예에 의하면, 고굴절률 유전물질로 이루어진 나노 패턴층은 같은 패턴 모양을 가질 때 입사되는 빛의 편광방향에 따라 각각 좌 또는 우 편광된 카이랄 근거리 전자기장이 발생하기 때문에, 제1 예와 달리 동일한 패턴 모양으로 두 가지 이상의 카이랄 성을 구현할 수 있다.
본 제2 예에 따른 기판은 실리콘 웨이퍼 표면을 식각 패터닝하여 제작될 수 있으며, 나노 패턴층(220B)의 각 단위 구조(221B)는 사각기둥 형태로서 가로 및 세로 길이가 100~200nm이고 높이가 100nm 이하일 수 있다.
본 제2 예에 따른 기판은, 앞의 제1 예에 따른 금속 나노구조체를 이용한 기판과 비교하여, 금이나 은에 비해 가격이 저렴한 실리콘을 기반으로 하므로 제작 비용을 감소시킬 수 있으며, 특히 electric 증폭뿐 아니라 magnetic 증폭도 가능하여 전기장에 의한 증강과 동시에 자기장에 의한 라만 증강이 가능할 수 있다. 또한, 제1 예인 금속 나노구조체 기판의 경우에는 금속의 열흡수율이 높아 기판으로 입사되는 빛이 금속(예를 들어, Au) 자체에 흡수되어 빛 에너지가 샘플로 도달하는 양이 감소하며, 나아가 금속이 빛에 의해 발열하여 바이오 샘플에 열 데미지가 생길 수 있는 문제가 있는 반면, 제2 예인 실리콘 기판의 경우 실리콘의 열흡수율이 낮아 실리콘 기판 상의 나노 패턴으로 빛 에너지가 흡수되지 않아 빛이 온전히 샘플에 도달될 수 있을 뿐 아니라 발열 문제도 동시에 해결할 수 있는 이점이 있다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야 한다.
10: 카이롭티컬 분광 플랫폼
100: 광원부
RCP-light: 우원편광
LCP-light: 좌원편광
N-light: 비편광
200: 다수개의 기판
R-Subs: 우-카이랄리티 기판
L-Subs: 좌-카이랄리티 기판
N-Subs: 비-카이랄리티 기판
200A: 금속 나노 구조체 기판
210A: 베이스 기판
220A: 나노 구조체
221A: 나노 로드
200B: 실리콘 기판
210B: 베이스 기판
220B: 나노 패턴층
221B: 단위 구조
I: 입사광
S: 라만 산란광
Sample: 샘플
100: 광원부
RCP-light: 우원편광
LCP-light: 좌원편광
N-light: 비편광
200: 다수개의 기판
R-Subs: 우-카이랄리티 기판
L-Subs: 좌-카이랄리티 기판
N-Subs: 비-카이랄리티 기판
200A: 금속 나노 구조체 기판
210A: 베이스 기판
220A: 나노 구조체
221A: 나노 로드
200B: 실리콘 기판
210B: 베이스 기판
220B: 나노 패턴층
221B: 단위 구조
I: 입사광
S: 라만 산란광
Sample: 샘플
Claims (3)
- 서로 다른 핸드니스를 가지는 다수개의 빛을 조사하는 광원부; 및
서로 다른 카이랄리티를 가지는 다수개의 기판;을 포함하며,
상기 광원부는 상기 다수개의 빛 각각을 상기 다수개의 기판 각각에 조사하고,
상기 다수개의 기판은, 우-카이랄(right-handed chiral) 산란 특성을 가지는 우-카이랄리티 기판, 좌-카이랄(left-handed chiral) 산란 특성을 가지는 좌-카이랄리티 기판, 및 비-카이랄(non-chiral) 산란 특성을 가지는 비-카이랄리티 기판을 포함하며,
상기 각 기판은, 베이스 기판 상에 나노 패턴층이 형성된 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 카이롭티컬 분광 플랫폼.
- 제1항에 있어서,
상기 베이스 기판은 저굴절률 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 카이롭티컬 분광 플랫폼.
- 제2항에 있어서,
상기 우-카이랄리티 기판은 상기 나노 패턴층이 우-카이랄 산란 특성을 가지는 고굴절률 유전체로 이루어지고,
상기 좌-카이랄리티 기판은 상기 나노 패턴층이 좌-카이랄 산란 특성을 가지는 고굴절률 유전체로 이루어지고,
상기 비-카이랄리티 기판은 상기 나노 패턴층이 비-카이랄 산란 특성을 가지는 고굴절률 유전체로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 카이롭티컬 분광 플랫폼.
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| KR102562621B1 (ko) * | 2022-05-09 | 2023-08-01 | 충남대학교산학협력단 | 카이로옵티컬 기판 및 이의 제조방법 |
| KR102562663B1 (ko) * | 2022-05-09 | 2023-08-01 | 충남대학교산학협력단 | 카이로옵티컬 기판 및 이의 제조방법 |
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| KR102162706B1 (ko) | 2013-05-08 | 2020-10-07 | 유겐가이샤 마이테크 | 암 관련 물질의 라만 정량 방법 |
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2021
- 2021-08-27 KR KR1020210113584A patent/KR20220134419A/ko unknown
-
2022
- 2022-03-24 KR KR1020220036656A patent/KR20220134464A/ko not_active Application Discontinuation
Patent Citations (1)
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| KR102162706B1 (ko) | 2013-05-08 | 2020-10-07 | 유겐가이샤 마이테크 | 암 관련 물질의 라만 정량 방법 |
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| KR102562663B1 (ko) * | 2022-05-09 | 2023-08-01 | 충남대학교산학협력단 | 카이로옵티컬 기판 및 이의 제조방법 |
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