KR20230115850A - 광 펌핑과 매트릭스를 통한 안티 스톡스 라만 증폭 장치 - Google Patents
광 펌핑과 매트릭스를 통한 안티 스톡스 라만 증폭 장치 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 안티 스톡스 라만 증폭 장치에 관한 것으로, 시료에 라만 산란을 일으킬 수 있는 레이저 광을 조사하여 라만 산란을 발생시키는 제1 광원; 상기 시료에 적외선 파장 대역의 레이저 광을 조사하는 제2 광원; 상기 시료가 제공되고, 상기 적외선 파장 대역의 레이저 광을 제공받아 상기 시료를 여기시키는 매트릭스; 및 상기 여기된 시료로부터 증폭된 안티 스톡스 라만 신호를 제공받는 분광기를 포함하고, 상기 제1 광원 및 상기 제2 광원은 동시에 작동한다.
Description
본 발명은 광 펌핑과 매트릭스를 통해 안티 스톡스 라만 신호를 증폭할 수 있는 장치에 관한 것이다.
소화기 암 중 위암은 아시아계, 특히 한국인에게 많이 발생하는 질병으로 알려져 있다. 위암에 의한 사망률은 높은 편이지만 위암 초기에 발견된다면 충분히 치료할 수 있는 질병이다.
다만, 위암의 진단 과정에 있어서 조직의 절개, 염색, 진단 등의 과정은 필수적이지만, 이를 수행하기 위해서는 조직의 절개가 필요하여 신체의 일부가 손상되고 정확한 진단까지 다소 많은 시간이 소요된다는 등의 단점이 명확하다.
이에 따라, 신체의 손상을 최소화하며 빠르고 정확한 진단을 가능하게 하는 기술이 연구되고 있다. 여러 기술 중에서 레이저를 조사하여 질병을 진단하는 방법은 조직의 절개 없이 진행되기 때문에 신체의 손상에 의한 부작용을 최소화할 수 있고, 빠른 시간 내에 검출할 수 있다.
특히, 라만분광법은 분자의 진동 스펙트럼을 제공하여 조직의 정밀한 정성 및 정량 분석을 가능하게 한다. 다만, 일반적인 스톡스(stokes) 라만 신호는 동일한 분자 내의 형광뿐만 아니라, 주변 분자에 의한 외인성 형광에 의한 간섭으로 인해 분석이 어렵다.
본 발명의 목적은 광 펌핑과 매트릭스를 통해 낮은 신호의 물질을 증폭하여 고감도로 검출할 수 있는 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명은 안티 스톡스 라만 증폭 장치에 관한 것으로, 시료에 라만 산란을 일으킬 수 있는 레이저 광을 조사하여 라만 산란을 발생시키는 제1 광원; 상기 시료에 적외선 파장 대역의 레이저 광을 조사하는 제2 광원; 상기 시료가 제공되고, 상기 적외선 파장 대역의 레이저 광을 제공받아 상기 시료를 여기시키는 매트릭스; 및 상기 여기된 시료로부터 증폭된 안티 스톡스 라만 신호를 제공받는 분광기를 포함하고, 상기 제1 광원 및 상기 제2 광원은 동시에 작동한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 매트릭스는 상기 제2 광원으로부터 상기 적외선 파장 대역의 레이저 광을 제공받고, 상기 제공받은 적외선 파장 대역의 레이저 광에 의해 여기되며, 에너지 전달 과정을 통해 상기 시료를 여기시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 매트릭스는 아세트아미노펜(acetaminophen), 글루코스(glucose), 수크로스(sucrose), 바이페닐(bi-phenyl), 벤조페논(benzophenone), 및 트랜스 스틸벤(trans-stilbene) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 매트릭스는 아세트아미노펜(acetaminophen)을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 매트릭스는 하이드록시기(OH 작용기)를 포함하는 제1 화합물 및 하이드록시기(OH 작용기)를 포함하지 않는 제2 화합물을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 화합물은 아세트아미노펜, 글루코스, 및 수크로스 중 어느 하나일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제2 화합물은 바이페닐, 벤조페논, 및 트랜스 스틸벤 중 어느 하나일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제2 광원의 출력은 50mW 내지 800mW일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제2 광원의 파장은 1200nm 내지 1800nm일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 적외선 파장 대역의 레이저 광은 근적외선 파장 대역의 레이저 광 또는 중적외선 파장 대역의 레이저 광일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제2 광원은 텅스텐을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 광원 및 상기 제2 광원은 광섬유 레이저일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 라만 산란을 일으킬 수 있는 레이저 광 및 상기 적외선 파장 대역의 레이저 광은 상기 시료의 동일한 지점에 동일한 각도로 조사될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 안티 스톡스 라만 증폭 장치는 본디 신호가 작은 안티 스톡스(Anti-Stokes) 라만 신호를 증폭시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 안티 스톡스 라만 증폭 장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 안티 스톡스 라만 증폭 장치를 나타낸 그림이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따라 근적외선의 파장에 따른 라만 신호의 변화를 측정한 그래프이다.
도 4a 내지 도 4f는 본 발명의 일 실시예에 따라 매트릭스의 구성 물질 및 근적외선의 파장에 따른 안티 스톡스 라만 신호의 변화를 나타난 그래프이다.
도 5a 내지 도 5f는 본 발명의 일 실시예에 따라 매트릭스의 구성 물질 및 근적외선의 파장에 따른 스톡스 라만 신호의 변화를 나타난 그래프이다.
도 6a 내지 도 6f는 본 발명의 일 실시예에 따라 각 매트릭스의 흡수 계수를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 매트릭스의 구성 물질 및 제2 광원의 출력에 따른 안티 스톡스 라만 신호의 변화를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8a 내지 도 8f는 본 발명의 다른 실시예에 따라 매트릭스의 구성 물질 및 제2 광원의 출력 유무에 따른 안티 스톡스 라만 신호의 변화를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9a 내지 도 9d는 본 발명의 일 실시예에 따라 아세트아미노펜 및 트랜스-스틸벤을 대상으로 제2 광원의 출력 변화에 따른 안티 스톡스 라만 신호의 변화를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 혼합물로 제조된 매트릭스를 대상으로 광학 펌핑에 따른 안티 스톡스 라만 신호의 변화를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 11a 및 도 11b는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 아세트아미노펜 매트릭스의 공간적 이질성을 라만 매핑으로 확인한 결과이다.
도 12a 및 도 12b는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 바이-페닐 매트릭스의 공간적 이질성을 라만 매핑으로 확인한 결과이다.
도 13a 및 도 13b는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 아세트아미노펜 및 바이-페닐 혼합물로 제조된 매트릭스의 공간적 이질성을 라만 매핑으로 확인한 결과이다.
도 14a 및 도 14c는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 혼합물 매트릭스의 공간적 이질성을 선형 라만 매핑으로 분석한 결과를 나타낸 것이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따라 상대 라만 비율로 측정한 아세트아미노펜의 상대 함량에 대한 근적외선 펌핑으로 인한 바이-페닐 피크의 향상 정도를 나타낸 그래프이다.
도 16a 및 도 16b는 본 발명의 일 실시예에 따른 혼합물 매트릭스의 에너지 전이 효과를 나타낸 그림이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따라 혼합물로 제조된 매트릭스를 대상으로 10개의 상이한 위치에서 계산된 아세트아미노펜과 바이-페닐 사이의 온도 차이를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 안티 스톡스 라만 증폭 장치를 나타낸 그림이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따라 근적외선의 파장에 따른 라만 신호의 변화를 측정한 그래프이다.
도 4a 내지 도 4f는 본 발명의 일 실시예에 따라 매트릭스의 구성 물질 및 근적외선의 파장에 따른 안티 스톡스 라만 신호의 변화를 나타난 그래프이다.
도 5a 내지 도 5f는 본 발명의 일 실시예에 따라 매트릭스의 구성 물질 및 근적외선의 파장에 따른 스톡스 라만 신호의 변화를 나타난 그래프이다.
도 6a 내지 도 6f는 본 발명의 일 실시예에 따라 각 매트릭스의 흡수 계수를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 매트릭스의 구성 물질 및 제2 광원의 출력에 따른 안티 스톡스 라만 신호의 변화를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8a 내지 도 8f는 본 발명의 다른 실시예에 따라 매트릭스의 구성 물질 및 제2 광원의 출력 유무에 따른 안티 스톡스 라만 신호의 변화를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9a 내지 도 9d는 본 발명의 일 실시예에 따라 아세트아미노펜 및 트랜스-스틸벤을 대상으로 제2 광원의 출력 변화에 따른 안티 스톡스 라만 신호의 변화를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 혼합물로 제조된 매트릭스를 대상으로 광학 펌핑에 따른 안티 스톡스 라만 신호의 변화를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 11a 및 도 11b는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 아세트아미노펜 매트릭스의 공간적 이질성을 라만 매핑으로 확인한 결과이다.
도 12a 및 도 12b는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 바이-페닐 매트릭스의 공간적 이질성을 라만 매핑으로 확인한 결과이다.
도 13a 및 도 13b는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 아세트아미노펜 및 바이-페닐 혼합물로 제조된 매트릭스의 공간적 이질성을 라만 매핑으로 확인한 결과이다.
도 14a 및 도 14c는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 혼합물 매트릭스의 공간적 이질성을 선형 라만 매핑으로 분석한 결과를 나타낸 것이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따라 상대 라만 비율로 측정한 아세트아미노펜의 상대 함량에 대한 근적외선 펌핑으로 인한 바이-페닐 피크의 향상 정도를 나타낸 그래프이다.
도 16a 및 도 16b는 본 발명의 일 실시예에 따른 혼합물 매트릭스의 에너지 전이 효과를 나타낸 그림이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따라 혼합물로 제조된 매트릭스를 대상으로 10개의 상이한 위치에서 계산된 아세트아미노펜과 바이-페닐 사이의 온도 차이를 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 광 펌핑과 매트릭스를 통한 안티 스톡스 라만 증폭 장치를 상세히 설명하기로 한다.
이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어는 사전적인 의미로 한정 해석되어서는 아니되며, 발명자는 자신의 발명을 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절히 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
상세한 설명, 도면들, 및 청구항들에서 상술하는 예시적인 실시 예들은 한정을 위한 것이 아니며, 다른 실시 예들이 이용될 수 있으며, 여기서 개시되는 기술의 사상이나 범주를 벗어나지 않는 한 다른 변경들도 가능하다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예 및 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 표현하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 존재할 수 있음을 이해하여야 한다.
당업자는 본 개시의 구성요소들, 즉 여기서 일반적으로 기술되고, 도면에 기재되는 구성요소들을 다양하게 다른 구성으로 배열, 구성, 결합, 및 도안할 수 있으며, 이것들의 모두는 명백하게 고안되며, 본 개시의 일부를 형성하고 있음을 용이하게 이해할 수 있을 것이다.
본 발명은 안티 스톡스 라만 증폭 장치에 관한 것이다. 안티 스톡스(anti-stokes) 라만 신호는 외인성 형광 신호에 간섭없이 물질을 분석할 수 있기 때문에 여러 물질의 복합체인 생체 조직 진단을 용이하게 할 수 있다. 그러나, 볼츠만 분포에 따라 안티 스톡스 라만은 신호가 매우 작아 검출이 어렵다는 단점이 있다.
본 발명의 안티 스톡스 라만 증폭 장치는 본디 신호가 작은 안티 스톡스(Anti-Stokes) 라만 신호를 증폭시킬 수 있으므로, 외인성 형광 신호에 간섭 없이 물질을 분석할 수 있어 여러 물질의 복합체인 생체 조직 진단에 사용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 안티 스톡스 라만 증폭 장치를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 안티 스톡스 라만 증폭 장치(10)는 제1 광원(100), 제2 광원(200), 매트릭스(300), 및 분광기(400)를 포함한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 안티 스톡스 라만 증폭 장치(10)는 제1 광원(100), 제2 광원(200), 매트릭스(300), 및 분광기(400)를 포함하여 시료(20)로부터 방출되는 안티 스톡스 라만 신호를 증폭시킬 수 있다.
제1 광원(100)은 시료(20)에 라만 산란을 일으킬 수 있는 광을 제공할 수 있다. 예를 들어, 상기 광은 가시광선일 수 있으며, 그 외 다른 파장 대역의 광이 제공될 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제1 광원(100)은 라만 산란을 발생시킬 수 있다면, 재질, 크기, 형상, 출력, 파장 등이 제한되지 않는다. 예를 들어, 제1 광원(100)은 광섬유 레이저일 수 있다.
제2 광원(200)은 시료(20)에 적외선 파장 대역의 레이저 광(201)을 조사할 수 있다. 또한, 예를 들어, 제2 광원(200)은 시료(20)에 근적외선(NIR, near infrared) 파장 대역의 레이저 광 또는 중적외선(MIR, mid infrared) 파장 대역의 레이저 광을 조사할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 제2 광원(200)은 시료(20)에 근적외선(NIR) 파장 대역의 레이저 광을 조사할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제2 광원(200)은 시료(20) 및 매트릭스(300)에 근적외선 파장 대역의 레이저 광을 조사하여 상기 시료(20) 및 상기 매트릭스(300)를 여기시킬 수 있다. 제2 광원(200)이 상기 시료(20) 및 상기 매트릭스(300)를 여기시키는 과정은 광 펌핑, 광학 펌핑, NIR ON, ION, ION, NIR 펌핑, 근적외선 펌핑, 또는 펌핑으로 간략하게 서술될 수 있다. 상기 펌핑을 통해, 제2 광원(200)은 상기 시료(20) 및 상기 매트릭스(300)로부터 방출되는 안티 스톡스 라만 신호를 증폭할 수 있다.
앞서 개시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 광원(200)의 파장은 근적외선 파장 대역의 영역일 수 있다. 예를 들어, 제2 광원(200)의 파장은 750nm 내지 2500nm 일 수 있다. 또한, 예를 들어, 제2 광원(200)의 파장은 1200nm 내지 1800nm일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 제2 광원(200)의 파장은 1400nm 내지 1600nm일 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 제2 광원(200)의 파장은 1450nm 내지 1550nm일 수 있다. 바람직하게, 제2 광원(200)의 파장은 1470nm 또는 1532nm일 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
또한, 제2 광원(200)은 출력을 달리하여 적외선 파장 대역의 광을 제공할 수 있다. 예를 들어, 제2 광원(200)의 출력은 50mW 내지 800mW일 수 있다. 또한, 예를 들어, 제2 광원(200)의 출력은 100mW 내지 700mW일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 제2 광원(200)의 출력은 150mW 내지 500mW일 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 제2 광원(200)의 출력은 200mW 내지 400mW일 수 있다.
다만, 하이드록시기(OH 작용기)가 있는 화합물은 일반적으로 300mW(37.3W/cm2)를 초과하는 전력에서 광 손상을 입을 수 있다. 이에 따라, 바람직하게, 매트릭스(300)가 하이드록시기가 있는 화합물을 포함하는 경우, 제2 광원(200)의 출력은 200mW 내지 300mW일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제2 광원(200)은 적외선 파장 대역의 레이저 광을 제공할 수 있다면 재질, 크기, 형상 등이 제한되지 않는다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 광원(200)은 텅스텐을 포함할 수 있다. 또한, 예를 들어, 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 광원(200)은 광섬유 레이저일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제1 광원(100) 및 제2 광원(200)은 동시에 작동할 수 있다. 이에 따라, 제1 광원(100)으로부터 제공되는 라만 산란을 일으킬 수 있는 레이저 광과 제2 광원(200)으로부터 제공되는 적외선 파장 대역의 레이저 광이 동시에 시료(20)에 조사될 수 있다.
여기서 “동시에 조사된다”라는 의미는 시간적으로 두 광원이 동일한 시각에 동시에 조사되는 것뿐만 아니라, 완전히 동일한 시각은 아니더라도 실질적으로 동일하다고 인정될 만한 미세한 시간차를 두고 연이어 조사되는 것을 의미할 수 있다.
실질적으로 동일하다고 인정될 만한 미세한 시간차라는 의미는, 제1 광원(100)에서 제공된 라만 산란을 일으킬 수 있는 광이 시료(20)에 조사됨에 따라 상기 시료(20)가 라만 신호를 방출하는 시간 사이의 간격 동안 제2 광원(200)에서 제공된 적외선 파장 대역의 레이저 광이 상기 시료(20)에 조사되는 정도를 의미하거나, 제2 광원(200)에서 제공된 적외선 파장 대역의 레이저 광이 시료(20)에 조사됨에 따라 시료(20)가 여기되는 시간 사이의 간격 동안, 제1 광원(100)에서 제공된 라만 산란을 일으킬 수 있는 광이 시료(20)에 조사되는 정도를 의미할 수 있다.
다만, 제1 광원(100)에 의해 시료(20)가 라만 산란을 일으킨 후 제2 광원(200)으로부터 제공된 적외선 파장 대역의 레이저 광에 의해 라만 신호가 증폭되거나, 제2 광원(200)에 의해 시료(20)가 여기된 후 제1 광원(100)으로부터 제공된 라만 산란을 일으킬 수 있는 광에 의해 증폭된 라만 신호가 제공된다는 한도 내에서, 상기 제1 광원(100) 및 제2 광원(200)이 작동하는 시간 간격이 조절될 수도 있다.
즉, 제1 광원(100)에 의해 시료(20)가 라만 신호를 방출하는 과정 및 제2 광원(200)에 의해 시료(20)가 여기되는 과정은 약간의 시간 간격을 두고 진행될 수 있고, 동일 시간에 진행될 수도 있다. 이를 통해, 시료(20)는 증폭된 안티 스톡스 라만 신호를 방출할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 광원(100) 및 제2 광원(200)은 제1 광원(100)에 의한 라만 산란을 일으킬 수 있는 레이저 광과 제2 광원(200)에 의한 적외선 파장 대역의 레이저 광이 시료(20)의 동일한 지점에 조사되도록 배치될 수 있다.
예를 들어, 제1 광원(100) 및 제2 광원(200)은 제1 광원(100)에 의한 라만 산란을 일으킬 수 있는 레이저 광과 제2 광원(200)에 의한 적외선 파장 대역의 레이저 광이 시료(20)의 동일한 지점에 동일한 각도로 조사되도록 배치될 수 있다.
또한, 예를 들어, 제1 광원(100) 및 제2 광원(200)은 제1 광원(100)에 의한 라만 산란을 일으킬 수 있는 레이저 광과 제2 광원(200)에 의한 적외선 파장 대역의 레이저 광이 시료(20)의 동일한 지점에서 서로 수직으로 만날 수 있도록 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 제1 광원(100) 및 제2 광원(200)은 제1 광원(100)에 의한 라만 산란을 일으킬 수 있는 레이저 광과 제2 광원(200)에 의한 적외선 파장 대역의 레이저 광이 시료(20)의 동일한 지점에서 동일한 각도로 조사되어 서로 수직으로 만날 수 있도록 배치될 수 있다.
이를 구현하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 안티 스톡스 라만 증폭 장치(10)는 상기 라만 산란을 일으킬 수 있는 레이저 광 및/또는 상기 적외선 파장 대역의 레이저 광을, 굴절 및/또는 반사시킬 수 있는 도구, 장치 등이 더 포함될 수 있다.
매트릭스(300)는 분석하려는 시료(20) 이외의 물질로, 시료(20)를 분석하는 데 영향을 줄 수 있는 외부적 요소이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 매트릭스(300)는 시료(20) 근처에 배치되어 상기 시료(20)를 여기시킬 수 있다. 예를 들어, 매트릭스(300)는 제2 광원(200)으로부터 적외선 파장 대역의 레이저 광을 제공받고, 제공받은 적외선 파장 대역의 레이저 광에 의해 여기되며, 에너지 전달 과정을 통해 근처에 제공된 시료(20)를 여기시킬 수 있다.
상기 매트릭스(300)에 의해 여기된 시료(20)에서는 여기되지 않은 시료에 비해 증폭된 안티 스톡스 라만 신호가 방출될 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 안티 스톡스 라만 증폭 장치는 안티 스톡스 라만 신호를 증폭시킬 수 있다.
또한, 매트릭스(300)는 시료(20)를 여기시켜 안티 스톡스 라만 신호를 증폭할 수 있는 기능을 하는 것으로서 하나 이상의 물질을 포함할 수 있다.
예를 들어, 매트릭스(300)는 아세트아미노펜(APAP, acetaminophen), 글루코스(Glu, glucose), 및 수크로스(Suc, sucrose) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 매트릭스(300)는 아세트아미노펜(APAP, acetaminophen)을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 매트릭스(300)는 아세트아미노펜(APAP, acetaminophen), 글루코스(Glu, glucose), 및 수크로스(Suc, sucrose) 중 적어도 하나의 물질 이외에, 바이-페닐(BP, bi-phenyl), 벤조페논(BzPh, benzophenone), 및 트랜스-스틸벤(tSTB, trans-stilbene) 중 적어도 하나를 더 포함하여 구성될 수 있다. 예를 들어, 매트릭스(300)는 아세트아미노펜(APAP, acetaminophen) 및 바이-페닐(BP, bi-phenyl)을 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 예를 들어, 매트릭스(300)는 하이드록시기(OH 작용기)를 포함하는 제1 화합물을 포함할 수 있다.
또한, 예를 들어, 매트릭스(300)는 하이드록시기(OH 작용기)를 포함하는 제1 화합물 이외에 하이드록시기(OH 작용기)를 포함하지 않는 제2 화합물을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제1 화합물은 아세트아미노펜(APAP, acetaminophen), 글루코스(Glu, glucose), 및 수크로스(Suc, sucrose) 중 어느 하나일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 제1 화합물은 아세트아미노펜(APAP, acetaminophen)일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제2 화합물은 바이-페닐(BP, bi-phenyl), 벤조페논(BzPh, benzophenone), 및 트랜스-스틸벤(tSTB, trans-stilbene) 중 어느 하나일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 제2 화합물은 바이-페닐(BP, bi-phenyl)일 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 매트릭스(300)는 제1 화합물인 아세트아미노펜을 포함하여 구성될 수 있고, 본 발명의 다른 실시예에 따른 매트릭스(300)는 제1 화합물인 아세트아미노펜 및 제2 화합물인 바이-페닐을 포함하여 구성될 수 있다.
분광기(400)는 시료(20)로부터 라만 신호(301)를 제공받아 계측할 수 있다. 예를 들어, 분광기(400)는 시료(20)로부터 스톡스 라만 신호 및/또는 안티 스톡스 라만 신호를 제공받아 상기 스톡스 라만 신호 및/또는 상기 안티 스톡스 라만 신호를 계측할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 분광기(400)는 시료(20)로부터 증폭된 안티 스톡스 라만 신호를 제공받아 상기 증폭된 안티 스톡스 라만 신호를 계측할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 안티 스톡스 라만 증폭 장치(10)는 렌즈(500)를 더 포함할 수 있다.
렌즈(500)는 빛을 집속할 수 있다. 예를 들어, 렌즈(500)는 제1 광원(100), 제2 광원(200), 및 시료(20) 중 적어도 하나로부터 제공되는 빛을 집속할 수 있다. 이에 따라, 렌즈(500)는 제1 광원(100)으로부터 제공되는 빛을 집속하는 제1 렌즈(510), 제2 광원(200)으로부터 제공되는 빛을 집속하는 제2 렌즈(520), 및 시료(20)로부터 제공되는 빛을 집속하는 제3 렌즈(530) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제1 렌즈(510)는 제1 광원(100)과 시료(20) 및/또는 매트릭스(300) 사이에 위치하여 제1 광원(100)으로부터 시료로 제공되는 라만 산란을 일으킬 수 있는 레이저 광을 집속할 수 있고, 상기 제2 렌즈(520)는 제2 광원(200)과 시료(20) 및/또는 매트릭스(300) 사이에 위치하여 제2 광원(200)으로부터 시료(20)로 제공되는 적외선 파장 대역의 레이저 광을 집속할 수 있으며, 상기 제1 렌즈(510) 및 제3 렌즈(530)는 시료(20)로부터 분광기(400)로 제공되는 라만 신호를 집속할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 렌즈(500)는 제1 렌즈(510), 제2 렌즈(520), 및 제3 렌즈(530)를 포함하여, 제1 광원(100), 제2 광원(200), 및 시료(20)로부터 제공되는 빛을 집속할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 렌즈(500)는 빛을 집속할 수 있다면, 크기, 형상, 재질 등이 제한되지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따른 안티 스톡스 라만 증폭 장치는 분광기 내부로 제공되는 빛을 일부 차단할 수 있는 광필터를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 안티 스톡스 라만 증폭 장치는 복수의 광필터를 포함하여 적외선 파장 대역의 레이저 광을 배제하고 라만 신호만을 통과시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 안티 스톡스 라만 증폭 장치는 제1 광원과 제2 광원을 시료에 동시에 조사하고 매트릭스를 포함하여, 시료로부터 방출되는 안티 스톡스 라만 신호를 증폭시킬 수 있다. 종래의 기술에서는 안티 스톡스 라만 신호의 세기가 미약하여 검출이 어려웠으나, 본 발명의 일 실시예에서는 증폭을 통해 안티 스톡스 라만 신호를 용이하게 검출할 수 있다.
실시예 1: 안티 스톡스 라만 증폭 장치
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 안티 스톡스 라만 증폭 장치(10_1)를 나타낸 그림이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 안티 스톡스 라만 증폭 장치(10_1)는 앞서 도 1에 개시된 바와 같이, 제1 광원(라만 레이저, 100), 제2 광원(근적외선 레이저, 200), 매트릭스(300), 분광기(400_1), 및 렌즈(500)를 포함하고, 상기 분광기(400_1)와 상기 매트릭스(300) 사이에 복수의 광필터(600)가 제공될 수 있으며, 상기 분광기(400_1)는 전하결합소자(CCD, Charge-Coupled Device), 및 데이터 분석 장치(700)를 포함할 수 있다.
보다 상세하게, 상기 제1 광원은 532nm 다이오드 펌핑 고체 레이저(Exodus, 532S-50-COL-PP)를 사용하였고, 제2 광원은 980nm, 1470nm, 및 1532nm 다이오드 레이저를 사용하였다.
상기 제1 광원에 의해 생성된 532nm 레이저 광(녹색)은 9mW 출력으로 조사되고 매트릭스 근처에 배치된 제1 렌즈(형석 렌즈(FL, Fluorite Lens)=50mm)를 통해 집속되며, 상기 제2 광원에 의해 생성된 근적외선 파장 대역의 레이저 광(적색)은 매트릭스 근처에 배치된 제2 렌즈(형석 렌즈(FL, Fluorite Lens)=50mm)를 통해 집속된다. 집속된 상기 레이저 광 및 상기 근적외선 파장 대역의 레이저 광은 도 2에 도시된 그림과 같이, 시료에 동일한 각도로 조사되도록 배치되었다.
상기 시료로부터 방출된 라만 신호는 제1 렌즈, 복수의 광필터, 및 제3 렌즈를 통과하여, 전자결합소자(Andor, DU420A-BEX2_DD)가 포함된 분광기(Andor, Shamrock 303i)에 도달하며, 상기 분광기로부터 수집된 정보는 데이터 분석 장치를 통해 전달되어 분석되었다.
상기 광필터는 특정 빛을 제한할 수 있어, 분광기 내부로 제공되어야 하는 빛을 선택적으로 통과시킬 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 광필터는 레이저 광을 제한하여 라만 신호만을 통과시킬 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 안티 스톡스 라만 증폭 장치(10_1)는 특정 빛을 제한하는 제1 광필터(610) 및 제2 광필터(620)를 더 포함하였다.
상기 매트릭스는 12톤의 압력을 가하는 수압 프레스(Piketech, CrushIR)로 분말 형태의 화합물을 3분 동안 압축하여 펠렛 형상으로 제작되었다. 상기 펠렛의 직경은 펠렛 다이(International Crystal Laboratories, Bridgetown Pellet Dies)의 내부 직경으로 측정한 13mm이고, 두께는 3mm 내지 5mm로 측정되었다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 화합물은 아세트아미노펜(APAP, acetaminophen), 글루코스(Glu, glucose), 수크로스(Suc, sucrose), 바이페닐(BP, bi-phenyl), 벤조페논(BzPh, benzophenone), 및 트랜스 스틸벤(tSTB, trans-stilbene) 중 적어도 하나가 포함된 물질이고, 시그마-알드리치(Sigma-Aldrich)에서 구입하여 추가 정제 없이 사용하였다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 화합물은 아세트아미노펜(APAP, acetaminophen), 글루코스(Glu, glucose), 수크로스(Suc, sucrose), 바이페닐(BP, bi-phenyl), 벤조페논(BzPh, benzophenone), 및 트랜스 스틸벤(tSTB, trans-stilbene) 중 어느 하나인 물질이다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 화합물은 아세트아미노펜(APAP, acetaminophen) 및 바이-페닐(BP, bi-phenyl)이 혼합된 물질이다.
실시예 2: 근적외선의 파장에 따른 라만 신호의 변화
앞서 실시예 1에서 구성된 안티 스톡스 라만 증폭 장치를 대상으로 근적외선의 파장에 따른 라만 신호의 변화를 확인하였다.
실시예 2에서의 매트릭스는 아세트아미노펜(APAP, N-acetyl-p-aminophenol)으로 제조된 펠렛을 사용하였다. 또한, 실시예 2에서의 제2 광원은 980nm(10,204cm-1), 1470nm(6,802cm-1), 및 1532nm(6,527cm-1)의 파장을 갖는 근적외선 레이저를 사용하였다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따라 근적외선의 파장에 따른 라만 신호의 변화를 측정한 그래프이다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따라 근적외선의 파장에 따른 라만 신호의 변화를 확인할 수 있다.
보다 상세하게, 도 3a를 참조하면, 안티 스톡스 라만 신호는 근적외선의 특정 파장에 따라 증가하였다. 특히, 1,334cm-1에 중심을 둔 안티 스톡스 라만 피크를 확대한 삽입 그림을 살펴보면, 높은 파장인 경우 피크 값이 가장 높고, 근적외선을 사용하지 않은 경우 피크 값이 가장 낮은 것을 확인할 수 있다. 근적외선의 파장이 980nm인 경우 안티 스톡스 라만 증가율은 +21.9%로 측정되었고, 근적외선의 파장이 1470nm인 경우 안티 스톡스 라만 증가율은 +32.0%로 측정되었으며, 근적외선의 파장이 1532nm인 경우 안티 스톡스 라만 증가율은 +92.4%로 측정되었다.
도 3b를 참조하면, 스톡스 라만 신호는 근적외선의 파장이 변함에 따라 증가하기도 하고 감소하기도 하였다. 특히, 1,334cm-1에 중심을 둔 스톡스 라만 피크를 확대한 삽입 그림을 살펴보면, 1,320cm-1에서는 1532nm 파장의 피크 값이 가장 높았으나, 1,330cm-1 내지 1,350cm-1에서는 1532nm 파장의 피크 값이 가장 낮았다. 근적외선의 파장이 980nm인 경우 스톡스 라만 증가율은 +0.8%로 측정되었고, 근적외선의 파장이 1470nm인 경우 스톡스 라만 증가율은 -1.3%로 측정되었으며, 근적외선의 파장이 1532nm인 경우 스톡스 라만 증가율은 -5.3%로 측정되었다.
실시예 2에서 측정하는 동안 모든 근적외선 파장 대역의 레이저 광의 전력은 동일한 수준인 120mW로 유지되었지만, 전력 밀도 값은 980nm에서 43W/cm2로, 1470nm에서 18.1 W/cm2로, 1532nm에서 19.6W/cm2로 나타났다.
따라서, 전력 밀도와 라만 증감량에 관해서는 1532nm 펌핑이 광학 펌핑에 가장 효과적인 것을 확인하였다.
실시예 3: 매트릭스의 구성 물질 및 근적외선의 파장에 따른 라만 신호의 변화
앞서 실시예 1에서 구성된 안티 스톡스 라만 증폭 장치를 대상으로 매트릭스의 구성 물질 및 근적외선의 파장에 따른 라만 신호의 변화를 확인하였다.
실시예 3에서의 매트릭스는 아세트아미노펜(APAP, acetaminophen), 글루코스(Glu, glucose), 수크로스(Suc, sucrose), 바이-페닐(BP, bi-phenyl), 벤조페논(BzPh, benzophenone), 및 트랜스-스틸벤(tSTB, trans-stilbene) 중 어느 하나로 제조된 총 6개의 펠렛을 사용하였다. 실시예 3에서는 제1 광원만을 사용하는 경우, 제1 광원 및 1470nm 파장의 제2 광원을 사용하는 경우, 및 제1 광원 및 1532nm 파장의 제2 광원을 사용하는 경우로 구분되었다.
상기 매트릭스의 구성 물질 중 아세트아미노펜, 글루코스, 및 수크로스는 하이드록시기(OH 작용기)가 포함된 제1 화합물로 구분할 수 있고, 바이-페닐, 벤조페논, 및 트랜스-스틸벤은 하이드록시기(OH 작용기)가 포함된 제2 화합물로 구분할 수 있다.
이에 따라, 아세트아미노펜, 글루코스, 및 수크로스 중 어느 하나로 구성된 매트릭스를 그룹 1로, 바이-페닐, 벤조페논, 및 트랜스-스틸벤 중 어느 하나로 구성된 매트릭스를 그룹 2로 구분하였다.
상기 하이드록시기(OH 작용기)는 근적외선을 선택적으로 흡수가 가능하고, 흡수된 에너지를 기반으로 안티 스톡스 라만 신호를 증폭하게 된다. 분자 내에서 하이드록시기의 두 번째 배음에 해당하는 에너지는 분자 내외부 상호 작용에 따라 6,500cm-1 내지 6,800cm-1(1.54㎛ 내지 1.47㎛) 사이에 있는 것으로 알려져 있으므로, 본 발명의 일 실시예에서는 근적외선 파장 대역의 레이저 광의 파장을 1470nm 및 1532nm로 설정하였다.
도 4a 내지 도 4f는 본 발명의 일 실시예에 따라 매트릭스의 구성 물질 및 근적외선의 파장에 따른 안티 스톡스 라만 신호의 변화를 나타난 그래프이다.
각 그래프의 하단은 광학 펌핑 없이 제1 광원만을 사용하는 경우에 나타나는 안티 스톡스 라만 스펙트럼을 보여주고, 각 그래프의 상단은 1470nm 및 1532nm 펌핑에서 측정된 안티 스톡스 라만 스펙트럼에서 펌핑 없이 제1 광원만을 사용하여 측정된 안티 스톡스 라만 스펙트럼을 빼는 것(ION-IOFF)으로 정의되고, 이에 따라 상단 그래프는 1470nm 및 1532nm 펌핑에서 나타나는 안티 스톡스 라만 신호의 증가 정도를 나타낸다.
도 4a 내지 도 4f를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따라 매트릭스의 구성 물질 및 근적외선의 파장에 따른 안티 스톡스 라만 신호의 변화를 확인할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 매트릭스는 구성 물질에 관계없이 근적외선 펌핑이 적용되면 안티 스톡스 라만 신호가 증가하였다.
도 4a 내지 도 4c에 개시된 그룹 1에 속하는 매트릭스들은 1470nm 펌핑했을 때보다 1532nm 펌핑했을 때 안티 스톡스 라만 신호의 증가율이 더 높은 것을 확인하였다.
반면, 도 4d 내지 도 4f에 개시된 그룹 2에 속하는 매트릭스들은 1532nm 펌핑했을 때보다 1470nm 펌핑했을 때 안티 스톡스 라만 신호의 증가율이 더 높은 것을 확인하였다. 다만 그룹 2에 속하는 매트릭스들의 안티 스톡스 라만 신호 증가율은 그룹 1에 속하는 매트릭스들의 안티 스톡스 라만 신호의 증가율보다 작은 것을 확인하였다.
도 5a 내지 도 5f는 본 발명의 일 실시예에 따라 매트릭스의 구성 물질 및 근적외선의 파장에 따른 스톡스 라만 신호의 변화를 나타난 그래프이다. 각 그래프의 구성은 앞서 개시된 도 4a 내지 도 4f와 유사한 방식으로 정의되어, 하단 그래프는 제1 광원만을 사용하는 경우에 나타나는 스톡스 라만 스펙트럼을 보여주고, 상단 그래프는 1470nm 및 1532nm에서 나타나는 스톡스 라만 신호의 증가 정도를 나타낸다.
도 5a 내지 도 5f를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따라 매트릭스의 구성 물질 및 근적외선의 파장에 따른 스톡스 라만 신호의 변화를 확인할 수 있다. 도 5a 내지 도 5f를 참조하면, 매트릭스의 구성 물질에 관계없이 근적외선 펌핑이 적용되면 스톡스 라만 신호가 감소하였다.
도 5a 내지 도 5c에 개시된 그룹 1에 속하는 매트릭스들은 1470nm 펌핑했을 때보다 1532nm 펌핑했을 때 스톡스 라만 신호의 증감률이 더 큰 것을 확인하였다.
반면, 도 5d 내지 도 5f에 개시된 그룹 2에 속하는 매트릭스들은 근적외선 파장에 관계없이 스톡스 라만 신호의 변화가 미미한 것을 확인하였다.
하기 표 1은 도 4a 내지 도 5f에 개시된 매트릭스의 구성 물질 및 근적외선의 파장에 따른 라만 신호의 변화율을 나타낸 것이다.
상기 표 1을 참조하면, 매트릭스의 구성 물질과는 상관없이 근적외선 펌핑을 받는 경우 스톡스 라만 스펙트럼이 감소하고, 안티 스톡스 라만 스펙트럼이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 그룹 1에 속하는 매트릭스들이 근적외선 펌핑을 받는 경우 안티 스톡스 라만 신호의 증가는 그룹 2의 경우보다 현저하게 크다는 것을 확인할 수 있다.
또한, 그룹 1에 속하는 매트릭스들은 1532nm 펌핑에서의 안티 스톡스 라만 스펙트럼의 증가율이 크고, 그룹 2에 속하는 매트릭스들은 1470nm 펌핑에서의 안티 스톡스 라만 스펙트럼의 증가율이 큰 것을 확인하였다.
즉, 안티 스톡스 라만 스펙트럼의 증가율은 흡수되는 빛이 많아짐에 따라 증가하므로, 화합물의 흡수 계수 및 제공되는 빛의 파장에 따라 안티 스톡스 라만 스펙트럼의 증가율을 향상시킬 수 있음을 확인하였다.
실시예 4: 각 매트릭스의 흡수 계수 측정
앞서 실시예 3에서 살펴본 바와 같이, 화학 물질의 흡수 계수가 광학 향상을 결정하는 주요 요인임을 확인하였다. 이에 따라, 아세트아미노펜(acetaminophen), 글루코스(glucose), 수크로스(sucrose), 바이페닐(bi-phenyl), 벤조페논(benzophenone), 및 트랜스 스틸벤(trans-stilbene) 중 어느 하나로 구성된 각 매트릭스의 흡수 계수를 측정하였다.
근적외선 반사 스펙트럼은 텅스텐 광원(Korea Spectral Products, AT-IS-1.5)이 장착된 적분구에서 획득하였다. 상기 적분구의 샘플링 영역은 입력 포트의 직경에 의해 결정된 0.5인치(inches)였다.
근적외선 백색 표준 물질(StellarNet lnc., RS50)은 반사율에 대한 기준으로 측정되었으며, 이는 -log10(R/RSTD)으로 표시되었다. 확산 반사 스펙트럼은 근적외선 InGaAs 분광기(한국분광제품, SM304-512)를 이용하여 획득하였다. 측정 결과는 입자 크기, 결정형상, 및 입자분포의 균일성에 영향을 받았다. 도 6a 내지 도 6f는 본 발명의 일 실시예에 따라 각 매트릭스의 흡수 계수를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6a 내지 도 6f를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 각 매트릭스의 흡수 계수를 확인할 수 있다.
도 6a 내지 도 6c를 참조하면, 하이드록시기를 포함하는 제1 화합물은 하이드록시기 배음대에 해당하는 1500nm 내지 1600nm 사이에서 강한 흡수 밴드가 나타나는 것을 확인할 수 있다. 또한, 제1 화합물은 1470nm 파장보다 1532nm 파장에서 더 높은 흡수 계수를 갖는 것을 확인할 수 있다.
도 6d 내지 도 6f를 참조하면, 하이드록시기를 포함하지 않는 제2 화합물은 하이드록시기 배음대에 해당하는 1500nm 내지 1600nm 사이에서 약한 흡수 밴드가 나타나는 것을 확인할 수 있다. 또한, 제2 화합물은 1532nm 파장보다 1470nm 파장에서 더 높은 흡수 계수를 갖는 것을 확인할 수 있다.
앞서 개시된 표 1과 도 6a 내지 도 6f를 참조하면, 제1 화합물은 1532nm 파장에서 더 높은 흡수 계수를 갖고, 안티 스톡스 라만 신호의 증가율이 더 높은 것을 확인할 수 있다. 반대로, 제2 화합물은 1470nm 파장에서 더 높은 흡수 계수를 갖고, 안티 스톡스 라만 신호의 증가율이 더 높은 것을 확인할 수 있다.
즉, 매트릭스의 흡수 계수가 가장 높은 파장과 유사한 파장을 가진 레이저 광을 조사하는 경우, 안티 스톡스 라만 신호의 증가율을 향상시킬 수 있음을 확인하였다.
실시예 5: 매트릭스의 구성 물질 및 제2 광원의 출력에 따른 라만 신호의 변화
앞서 실시예 1에서 구성된 안티 스톡스 라만 증폭 장치를 대상으로 매트릭스의 구성 물질 및 제2 광원의 출력에 따른 라만 신호의 변화를 확인하였다.
일반적으로 광 펌핑에 의한 에너지 이동은 펌핑 출력 밀도에 의해 결정되므로, 동일 파장(1532nm)의 제2 광원을 사용하고 제2 광원의 출력과 매트릭스의 구성 물질을 달리하여 라만 신호를 수집하였다. 상기 구성 물질의 비교를 위해 각 구성 물질의 라만 피크는 에너지 종속 볼츠만 분포에서 모집단 변동을 최소화하기 위해 1,000cm-1 내지 1,100cm-1 범위 내에서 설정되었고, 이에 따라 각 구성 물질의 피크로 1,124cm-1(아세트아미노펜), 1,138cm-1(글루코스), 1,057cm-1(수크로스), 1,019cm-1(바이-페닐), 1,002cm-1(트랜스-스틸벤), 및 1,016cm-1(벤조페논)을 선택하였다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 매트릭스의 구성 물질 및 제2 광원의 출력에 따른 안티 스톡스 라만 신호의 변화를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따라 매트릭스를 구성할 수 있는 아세트아미노펜, 글루코스, 수크로스, 바이-페닐, 트랜스-스틸벤, 및 벤조페논 모두의 안티 스톡스 라만 비율이 근적외선 레이저 출력에 비례하는 것을 확인하였다.
특히, 하이드록시기를 갖는 제1 화합물(아세트아미노펜, 글루코스, 및 수크로스)의 경우 안티 스톡스 라만 신호가 크게 증폭되었으며, 그 중에서도 아세트아미노펜의 안티 스톡스 라만 비율은 250mW 출력에서 약 5.4배 증폭되는 것으로 나타났다.
글루코스의 안티 스톡스 라만 비율은 150mW까지 출력에 비례하여 증가하다가 150mW 초과한 이후부터 유지되는 것을 확인할 수 있다. 글루코스의 경우, 150mW를 초과하는 출력의 레이저에 노출될 때 광 손상이 발생할 수 있고, 이러한 손상에 의해 안티 스톡스 라만 비율이 증가하지 않는 것을 확인하였다.
한편, 하이드록시기를 포함하지 않는 제2 화합물(바이-페닐, 트랜스-스틸벤, 및 벤조페논)의 경우 250mW 출력으로 조사한 경우에 약 1.12배의 미미한 증폭이 나타났다.
도 8a 내지 도 8f는 본 발명의 다른 실시예에 따라 매트릭스의 구성 물질 및 제2 광원의 출력 유무에 따른 안티 스톡스 라만 신호의 변화를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다. 도 8a는 아세트아미노펜, 도 8b는 글루코스, 도 8c는 수크로스, 도 8d는 바이-페닐, 도 8e는 트랜스-스틸벤, 도 8f는 벤조페논을 대상으로 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8a 내지 도 8f를 참조하면, 매트릭스의 구성 물질 및 제2 광원의 출력 유무에 따른 안티 스톡스 라만 신호의 변화를 확인할 수 있다. 앞서 개시된 그래프와는 달리, 진동 에너지의 함수를 사용하여 증폭 비율을 표기하였다.
상기 진동 에너지의 함수는 Ion/Ioff 비율로 계산되어 표기되고, 상기 비율은 광학 펌핑을 가했을 때 나타나는 값을 광학 펌핑을 가하지 않았을 때 나타나는 값으로 나눈 비율을 의미한다. 이에 따라, 상기 진동 에너지의 함수 값은 펌핑 이전에 비해 펌핑 이후에 안티 스톡스 라만 신호의 증가율을 확인할 수 있다.
제1 화합물에 속하는 아세트아미노펜, 글루코스, 및 수크로스의 경우 진동 에너지의 함수로 향상 인자가 나타나는 것을 확인하였다. 특히, 도 8a에 개시된 아세트아미노펜의 경우, 1,634cm-1 피크 강도는 250mW으로 펌핑할 때 펌핑되지 않은 피크보다 약 13.2배 높게 나타났다.
반면, 제2 화합물에 속하는 바이-페닐, 트랜스-스틸벤, 및 벤조페논의 경우 진동 에너지의 함수로 향상 인자가 나타나기는 했으나, 증폭되는 정도가 미미한 것으로 확인되었다. 특히, 도 8d에 개시된 바이-페닐의 경우 250mW로 펌핑할 때 펌핑되지 않은 피크보다 약 1.1배 증폭에 그치는 것을 확인할 수 있다.
도 9a 내지 도 9d는 본 발명의 일 실시예에 따라 아세트아미노펜 및 트랜스-스틸벤을 대상으로 제2 광원의 출력 변화에 따른 안티 스톡스 라만 신호의 변화를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9a 및 도 9c를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따라 아세트아미노펜 및 트랜스-스틸벤을 대상으로 제2 광원의 출력 변화에 따른 안티 스톡스 라만 신호의 변화를 확인할 수 있다. 다만, 도 9a 및 도 9c에서는 각 파수에 따른 변화를 확인할 수는 있으나, 제2 광원의 출력 변화에 따른 안티 스톡스 라만 신호의 차이를 확인하기 어렵다. 이에 따라, 도 9b 및 도 9d를 통해 특정 피크(973cm-1 및 1002cm-1)에서의 출력 변화에 따른 안티 스톡스 라만 신호의 변화를 확인하였다.
도 9b를 참조하면, 아세트아미노펜을 대상으로 한 결과에서는 안티 스톡스 라만 신호(973cm-1 피크 기준)가 제2 광원의 출력이 0mW 내지 400mW일 때까지 증가하다가, 제2 광원의 출력이 400mW를 초과하는 경우 급격히 감소하는 것을 확인하였다.
반면, 도 9d를 참조하면, 트랜스-스틸벤을 대상으로 한 결과에서는 안티 스톡스 라만 신호(1002cm-1 피크 기준)가 제2 광원의 출력이 증가함에 따라 비례하여 증가하는 것을 확인하였다. 트랜스-스틸벤의 경우, 1000mW 출력에서의 피크 강도는 0mW 출력에서의 피크 강도에 비해 약 1.5배 높은 것을 확인할 수 있다.
일반적으로 안티 스톡스 라만 신호의 강도는 도 9d에서 살펴본 바와 같이 제2 광원, 즉 근적외선 펌핑 전력에 비례하여 증폭되지만, 아세트아미노펜과 같이 하이드록시기를 가진 화합물은 300mW(37.3W/cm2)를 초과하는 출력에서 광 손상을 입어 특정 출력 이후에서는 안티 스톡스 라만 신호가 감소하였다.
즉, 아세트아미노펜과 같은 하이드록시기를 갖는 제1 화합물은 300mW를 초과하는 레이저 출력에서는 광 손상이 발생되어 레이저 손상 임계값을 갖고, 트랜스-스틸벤과 같은 하이드록시기를 갖지 않는 제2 화합물은 1000mW 출력에서도 견고하여 0mW 내지 1000mW 출력 내에서는 레이저 손상 임계값을 갖지 않는 것을 확인하였다.
실시예 6: 아세트아미노펜 및 바이-페닐 혼합물로 구성된 매트릭스
앞서 실시예 1에서 구성된 안티 스톡스 라만 증폭 장치 중 매트릭스를 아세트아미노펜 및 바이-페닐 혼합물로 제조하였다. 이는 제1 화합물 및 제2 화합물의 각 물질을 대표하는 물질을 혼합한 실시예로, 제1 화합물 중 어느 물질 및 제2 화합물 중 어느 물질이 혼합될 수 있다면, 혼합 대상을 제한하지 않는다.
상기 혼합물로 제조된 매트릭스는 12톤의 압력을 가하는 수압 프레스(Piketech, CrushIR)로 분말 형태의 아세트아미노펜 및 바이-페닐 혼합물(질량비 1:1로 혼합)을 3분 동안 압축하여 펠렛 형상으로 제작되었다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 혼합물로 제조된 매트릭스를 대상으로 광학 펌핑에 따른 안티 스톡스 라만 신호의 변화를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따라 아세트아미노펜 및 바이-페닐 혼합물로 제조된 매트릭스의 광학 펌핑에 따른 안티 스톡스 라만 신호의 변화를 확인할 수 있다. 파수의 전 영역에 있어서, 상기 혼합물 매트릭스에서 제2 화합물의 안티 스톡스 라만 신호는 펌핑 이후에 현저하게 증가하였다.
도 11a 및 도 11b는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 아세트아미노펜 매트릭스의 공간적 이질성을 라만 매핑으로 확인한 결과이다. 상기 매트릭스 표면의 로컬 스팟은 100㎛ 간격으로 5x5 포인트로 라만 매핑되었다.
도 11a 및 도 11b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 아세트아미노펜 매트릭스는 매트릭스의 모든 영역에서 라만 강화율이 다소 상이한 것을 확인할 수 있다. 보다 상세하게, 안티 스톡스 라만의 세기 증가는 약 2.08배이며 상대 표준 편차(R.S.D)가 12.646%로 나타난 것을 확인하였다.
도 12a 및 도 12b는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 바이-페닐 매트릭스의 공간적 이질성을 라만 매핑으로 확인한 결과이다. 상기 매트릭스 표면의 로컬 스팟은 100㎛ 간격으로 5x5 포인트로 라만 매핑되었다.
도 12a 및 도 12b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 바이-페닐 매트릭스는 매트릭스의 모든 영역에서 라만 강화율이 거의 유사한 것을 확인할 수 있다. 보다 상세하게, 안티 스톡스 라만의 세기 증가는 약 1.06배이며 상대 표준 편차(R.S.D)가 1.996%로 나타난 것을 확인하였다.
도 13a 및 도 13b는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 아세트아미노펜 및 바이-페닐 혼합물로 제조된 매트릭스의 공간적 이질성을 라만 매핑으로 확인한 결과이다. 상기 매트릭스 표면의 로컬 스팟은 100㎛ 간격으로 5x5 포인트로 라만 매핑되었다.
도 13a 및 도 13b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 아세트아미노펜 및 바이-페닐 혼합물로 제조된 매트릭스는 매트릭스의 모든 영역에서 라만 강화율이 상이한 것을 확인할 수 있다. 특히, 안티 스톡스 라만의 세기 증가는 1.34배이며 상대 표준 편차(R.S.D)가 16.69%로 나타난 것을 확인하였다.
도 11a, 도 12a 및 도 13a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 아세트아미노펜 및 바이-페닐 혼합물로 제조된 매트릭스에서 제2 화합물의 안티 스톡스 라만의 세기 증가는 단일 물질의 매트릭스보다 증가율이 큰 것을 확인하였다.
또한, 본 발명의 일 실시예에서는 매트릭스를 제조하는 과정에서 각 화합물을 분쇄했음에도 완전히 균질화되지 않았음을 확인하였다.
도 14a 및 도 14c는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 혼합물 매트릭스의 공간적 이질성을 선형 라만 매핑으로 분석한 결과를 나타낸 것이다. 상기 매트릭스의 표면의 로컬 스팟은 400um x 1000um 범위를 256 x 400 포인트로 라만 매핑되었다.
도 14a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 혼합물 매트릭스의 현미경 이미지를 확인할 수 있다. 사진에 도시된 바와 같이, 상기 혼합물 매트릭스는 영역마다 색이 상이한 것을 확인할 수 있다.
도 14b는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 14a에 표시된 붉은 색 도형으로 둘러싸인 영역을 확대한 라만 라인 매핑 이미지를 나타낸 것이다.
도 14b를 참조하면, 앞서 도 14a에서 살펴본 바와 같이 혼합물 매트릭스의 영역마다 색이 상이한 것을 확인할 수 있다. 특히, 혼합물 매트릭스의 A, C, 및 D 영역에 비해 B 영역이 현저하게 진한 색으로 나타났다. 진한 색의 라만 매핑 이미지는 바이-페닐의 라만 신호를 적분한 값이다.
도 14c는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 14b에 구분된 영역의 라만 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 14c를 참조하면, 앞서 도 14b에서 상대적으로 색이 옅은 영역인 A, C, 및 D 영역과 상대적으로 색이 짙은 영역인 B 영역의 라만 스펙트럼이 상이한 것을 확인할 수 있다. 따라서, A, C, 및 D 영역의 바이-페닐 화합물과 B 영역의 아세트아미노펜은 국소 부위에서 완전히 균일화되지 않았다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 혼합물 매트릭스는 완전히 균질화되지 않아 영역마다 상이할 수 있으며 상이한 영역은 서로 다른 라만 스펙트럼을 갖는 것을 확인하였다. 이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 혼합물 매트릭스는 기질 영역 및 표적 물질의 영역으로 상이한 영역을 가질 수 있다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따라 상대 라만 비율(광학 펌핑 없는 조건에서의 IAPAP/IBP)로 측정한 아세트아미노펜의 상대 함량에 대한 근적외선 펌핑으로 인한 바이-페닐 피크의 향상 정도를 나타낸 그래프이다. 도 15에 개시된 총 10개의 대상은 도 10에 화살표로 표시된 바이-페닐의 주요 피크를 의미한다.
도 15를 참조하면, 근적외선 펌핑에서 바이-페닐 단일 매트릭스의 안티 스톡스 라만 증가율보다 바이-페닐 및 아세트아미노펜 혼합물 매트릭스의 안티 스톡스 라만 증가율이 더 큰 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 15를 참조하면, 바이-페닐의 함량이 감소함에도 불구하고 바이-페닐의 펌핑 후 안티 스톡스 라만 신호가 증가한 것을 확인할 수 있다. 이는 혼합물에 포함된 아세트아미노펜의 진동 매트릭스 효과에 의한 것으로, 이하 도 16a 및 도 16b에서 자세히 서술될 것이다.
도 16a 및 도 16b는 본 발명의 일 실시예에 따른 혼합물 매트릭스의 에너지 전이 효과를 나타낸 그림이다.
도 16a 및 도 16b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 혼합물 매트릭스의 진동 매트릭스 효과를 확인할 수 있다. 라만 산란을 일으킬 수 있는 레이저 광(101)만이 제공되는 경우(도 16a), 그룹 1 및 그룹 2에 해당하는 아세트아미노펜 매트릭스(310)에서 안티 스톡스 라만 신호가 방출된다. 그룹 2에 해당하는 바이-페닐 매트릭스의 안티 스톡스 라만 신호를 0으로 표현하여 상기 그림에서는 표시하지 않았다.
라만 산란을 일으킬 수 있는 레이저 광(101) 및 근적외선 파장 대역의 레이저 광(201)이 제공되는 경우(도 16b), 그룹 1 및 그룹 2 매트릭스에서는 안티 스톡스 라만 신호가 방출된다. 특히, 그룹 2 화합물은 단일 매트릭스에서 보다 현저하게 증폭된 안티 스톡스 라만 신호가 방출된다. 그룹 1 및 그룹 2 두 매트릭스에서 안티 스톡스 라만 신호가 유의미하게 방출되는데, 이는 근적외선 파장 대역의 레이저 광(201)이 그룹 2 매트릭스(320)에 영향을 미치는 것뿐만 아니라 그룹 1의 화합물 내 하이드록시 분자의 진동 에너지 재분배, 즉 그룹 1 매트릭스(310)의 과잉 에너지가 그룹 2 매트릭스(320)로 전달되었기 때문이다.
실시예 7: 광학 펌핑된 혼합물 매트릭스의 영역별 온도 계산
앞서 실시예 6에서 구성된 안티 스톡스 라만 증폭 장치를 대상으로 광학 펌핑된 매트릭스의 영역별 온도를 확인하였다. 상기 영역은 상이한 10곳을 선정하였고, 각 영역에서 아세트아미노펜의 온도 및 바이-페닐의 온도를 계산하였다.
하기 표 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 혼합물로 제조된 매트릭스의 영역별 온도를 계산한 결과를 나타낸 것이며, 이는 볼츠만 분포와 온도에 관련된 식으로 선형회귀를 통하여 계산되었다.
상기 표 2를 참조하면, 각 영역마다 아세트아미노펜 및 바이-페닐의 온도가 상이한 것을 확인할 수 있다. 상기 아세트아미노펜의 온도는 바이-페닐의 온도에 비해 영역별로 온도차가 크게 나타났다. 또한, 아세트아미노펜과 바이-페닐의 온도 차이가 각 영역별로 상이하게 나타났다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따라 혼합물로 제조된 매트릭스를 대상으로 10개의 상이한 위치에서 계산된 아세트아미노펜과 바이-페닐 사이의 온도 차이를 나타낸 그래프이다.
상기 표 2 및 도 17을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따라 혼합물로 제조된 매트릭스는 아세트아미노펜과 바이-페닐의 온도 차이가 -10℃ 내지 0℃인 7번 및 9번 영역, 상기 온도 차이가 0℃ 내지 10℃인 1번 및 8번 영역, 상기 온도 차이가 10℃ 내지 20℃인 6번 영역, 상기 온도 차이가 20℃ 내지 30℃인 2번 영역, 상기 온도 차이가 30℃ 내지 40℃인 4번 및 10번 영역, 상기 온도 차이가 50℃ 내지 60℃인 3번 영역, 상기 온도 차이가 60℃ 내지 70℃인 5번 영역을 갖는 것을 확인하였다.
앞서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따라 혼합물로 제조된 매트릭스는 펌핑 이후 진동 에너지가 국부화되었음을 영역별 온도 계산 및 라만 스펙트럼 측정을 통해 확인하였다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니며 특허 청구의 범위에 의해 정해져야만 할 것이다.
10, 10_1: 안티 스톡스 라만 증폭 장치
20: 시료
100: 제1 광원 101: 라만 산란을 일으킬 수 있는 레이저 광
200: 제2 광원 201: 적외선 파장 대역의 레이저 광
300: 매트릭스 301: 라만 신호
400: 분광기 400_1: 전하결합소자를 포함하는 분광기
500: 렌즈 510: 제1 렌즈
520: 제2 렌즈 530: 제3 렌즈
600: 광필터 610: 제1 광필터
620: 제2 광필터 700: 데이터 분석 장치
100: 제1 광원 101: 라만 산란을 일으킬 수 있는 레이저 광
200: 제2 광원 201: 적외선 파장 대역의 레이저 광
300: 매트릭스 301: 라만 신호
400: 분광기 400_1: 전하결합소자를 포함하는 분광기
500: 렌즈 510: 제1 렌즈
520: 제2 렌즈 530: 제3 렌즈
600: 광필터 610: 제1 광필터
620: 제2 광필터 700: 데이터 분석 장치
Claims (13)
- 시료에 라만 산란을 일으킬 수 있는 레이저 광을 조사하여 라만 산란을 발생시키는 제1 광원;
상기 시료에 적외선 파장 대역의 레이저 광을 조사하는 제2 광원;
상기 시료가 제공되고, 상기 적외선 파장 대역의 레이저 광을 제공받아 상기 시료를 여기시키는 매트릭스; 및
상기 여기된 시료로부터 증폭된 안티 스톡스 라만 신호를 제공받는 분광기를 포함하고,
상기 제1 광원 및 상기 제2 광원은 동시에 작동하는 안티 스톡스 라만 증폭 장치. - 제1 항에 있어서,
상기 매트릭스는 상기 제2 광원으로부터 상기 적외선 파장 대역의 레이저 광을 제공받고, 상기 제공받은 적외선 파장 대역의 레이저 광에 의해 여기되며, 에너지 전달 과정을 통해 상기 시료를 여기시키는 안티 스톡스 라만 증폭 장치. - 제2 항에 있어서,
상기 매트릭스는 아세트아미노펜(acetaminophen), 글루코스(glucose), 수크로스(sucrose), 바이페닐(bi-phenyl), 벤조페논(benzophenone), 및 트랜스 스틸벤(trans-stilbene) 중 적어도 하나를 포함하는 안티 스톡스 라만 증폭 장치. - 제3 항에 있어서,
상기 매트릭스는 아세트아미노펜(acetaminophen)을 포함하는 안티 스톡스 라만 증폭 장치. - 제1 항에 있어서,
상기 매트릭스는 하이드록시기(OH 작용기)를 포함하는 제1 화합물 및 하이드록시기(OH 작용기)를 포함하지 않는 제2 화합물을 포함하는 안티 스톡스 라만 증폭 장치. - 제5 항에 있어서,
상기 제1 화합물은 아세트아미노펜, 글루코스, 및 수크로스 중 어느 하나인 안티 스톡스 라만 증폭 장치. - 제5 항에 있어서,
상기 제2 화합물은 바이페닐, 벤조페논, 및 트랜스 스틸벤 중 어느 하나인 안티 스톡스 라만 증폭 장치. - 제1 항에 있어서,
상기 제2 광원의 출력은 50mW 내지 800mW인 안티 스톡스 라만 증폭 장치. - 제1 항에 있어서,
상기 제2 광원의 파장은 1200nm 내지 1800nm인 안티 스톡스 라만 증폭 장치. - 제1 항에 있어서,
상기 적외선 파장 대역의 레이저 광은 근적외선 파장 대역의 레이저 광 또는 중적외선 파장 대역의 레이저 광인 안티 스톡스 라만 증폭 장치. - 제1 항에 있어서,
상기 제2 광원은 텅스텐을 포함하는 안티 스톡스 라만 증폭 장치. - 제1 항에 있어서,
상기 제1 광원 및 상기 제2 광원은 광섬유 레이저인 안티 스톡스 라만 증폭 장치. - 제1 항에 있어서,
상기 라만 산란을 일으킬 수 있는 레이저 광 및 상기 적외선 파장 대역의 레이저 광은 상기 시료의 동일한 지점에 동일한 각도로 조사되는 안티 스톡스 라만 증폭 장치.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220012495 | 2022-01-27 | ||
| KR20220012495 | 2022-01-27 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20230115850A true KR20230115850A (ko) | 2023-08-03 |
Family
ID=87568040
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020220061412A KR20230115850A (ko) | 2022-01-27 | 2022-05-19 | 광 펌핑과 매트릭스를 통한 안티 스톡스 라만 증폭 장치 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20230115850A (ko) |
-
2022
- 2022-05-19 KR KR1020220061412A patent/KR20230115850A/ko unknown
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