KR20240043447A - 다중 신호 측정용 분광 장치 - Google Patents

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윤경훈
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김상훈
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Abstract

본 발명은, 시료가 놓여지며, 상기 시료에 대한 광조사와 상기 광조사에 따른 샘플 광을 전달하는 광학부; 제1 분광 측정을 위한 제1 광을 생성하는 제1 광원부; 제2 분광 측정을 위한 제2 광을 생성하는 제2 광원부; 상기 제1 광 또는 상기 제2 광을 상기 광학부로 전달하여 상기 광조사가 이루어지도록 하는 제1 광전달부; 상기 샘플 광을 이용하여 상기 제1 분광 측정을 수행하는 제1 분광분석부; 상기 샘플 광을 이용하여 상기 제2 분광 측정을 수행하는 제2 분광분석부; 및 상기 광학부로부터 상기 샘플 광을 전달받아 상기 제1 분광분석부 또는 상기 제2 분광분석부로 전달하는 제2 광전달부;를 포함하는 다중 신호 측정용 분광 장치를 제공한다.

Description

다중 신호 측정용 분광 장치{SPECTORMETER APPARATUS FOR MULTI-SIGNAL MEASUREMENT}
본 발명은 다중 신호 측정용 분광 장치에 관한 것이다.
라만 분광법(Raman Spectroscopy)은 1928년 인도의 과학자인 찬드라 세카르 라만이 발견한 라만 산란을 이용한 분광법이다. 라만 산란은 레이저 빛이 조사된 이후 특정 분자에서 빛이 산란할 때 에너지를 잃거나 얻으면서 에너지 준위의 차이가 발생하는 것을 말한다. 라만 분광법은 이러한 라만 산란을 측정함으로써 분자의 진동수, 분자 종류를 알아내는 방법이다.
라만 분광법은 시료의 상태(고체, 액체, 기체)에 상관없이 분자 종류의 측정이 가능하고, 전처리 과정 및 시료의 손상 없이 직접 측정이 가능한 장점이 있다.
그러나, 라만 분광법은 유효한 라만 산란의 단면적(Cross Section)이 작아서 다른 분광법들에 비해 신호가 매우 작다는 단점이 있다.
최근에는 이러한 단점을 보완하기 위한 다양한 방법들이 개발되고 있다. 현재 가장 널리 사용하고 있는 방법은 표면증강 라만 산란(Surface enhanced Raman scattering; SERS) 분광법이다. 특히, 고밀도 나노 갭(gap)을 갖는 금속 나노 구조체를 이용하는 고감도 SERS의 개발은 라만 분광법이 생체 분자 진단의 영역으로 확장되는 계기를 마련하고 있다.
한편, 일반적으로 형광 물질은, 빛이 조사되고 나서 특정 파장을 흡수하면, 흡수한 파장보다 긴 파장의 빛을 발산하는 형광 현상을 구현한다. 형광 물질의 흡수 스펙트럼과 발광 스펙트럼은 중첩 영역을 제외하면 광학적으로 분리되어 있다. 이와 같은 스펙트럼의 변화 즉, 형광 물질에서 발산되는 빛의 파장의 변화를 이용하면 형광 물질을 표지자로써 사용이 가능하다.
형광 물질을 표지자로 이용하는 FRET(Fluorescence Resonance Energy Transfer) 분광법은 서로 다른 둘의 형광 물질 사이에서 발생하는 에너지 공명 현상을 이용하여 분자 구조를 검출하는 방법이다. FRET 분광법은 분자 구조의 검출 분해능을 1nm까지 향상시키는 것이 가능하기 때문에 분자의 집단적 상태 변화와 단일 분자의 동력학적 변화까지 실시간으로 모니터링 가능하다.
상술한 라만 분광법과 FRET 분광법을 독립적으로 이용하여 개별 신호를 분석하는 기술이 현재에도 개발되어 있지만 개별 장비를 사용할 때에는 측정 시간 차이로 인하여 분석 결과가 달라질 수 있다. 두 개의 분광법은 기본적으로 서로 다른 형태의 광학계를 이용하고 있고, 이를 통합하여 사용하기 위한 구성은 제시되지 않았다.
대한민국 등록특허 제 10-2043765 호
본 발명은 라만 분광법과 FRET 분광법을 모두 적용할 수 있는 통합된 분광 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
라만 분광법에 이용되는 레이저의 파장과 FRET 분광법에 이용되는 레이저의 파장이 다를 경우, 각 레이저의 파장이 측정 결과에 영향을 주기 때문에 라만 신호와 FRET 신호를 동시에 측정하는 것은 어렵다.
그리고, 시계열 상의 동력학적 변화를 관찰하기 위해서는 라만 신호와 FRET 신호를 교차 측정하여 시간에 따른 변화를 관찰하여야 하는데, 이를 위해서는 상당히 높은 정확도의 스위칭 기술을 필요로 한다. 만약 레이저의 타이밍 오차가 아주 적은 경우(예를 들면, 1ms의 타이밍 오차)라고 하더라도 신호 교차로 인해 레이저 출력에 대한 분석이 불가능한 상황이 발생할 수 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해서는, 레이저와 광학계의 광 경로를 결정하는 각 구성요소에 정확한 타이밍의 전기적 신호를 주어서 동기화를 시킬 수 있어야 한다. 그러나, 각 구동계의 전기적 특성에 의해 발생하는 지연 효과로 인해 장기간 촬영을 진행할 경우 위상이 어긋나는 등의 문제가 발생할 수 있다.
라만 분광법과 FRET 분광법을 모두 적용할 수 있는 통합된 분광 측정 장치를 제공함에 있어서 고려될 수 있는 위와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 레이저의 출력 피드백을 이용하여 레이저와 광학계의 광 경로를 결정하는 구성요소를 제어함으로써 라만 신호와 FRET 신호에 대한 동기화가 가능한 다중 신호 측정용 분광 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 시료가 놓여지며, 상기 시료에 대한 광조사와 상기 광조사에 따른 샘플 광을 전달하는 광학부; 제1 분광 측정을 위한 제1 광을 생성하는 제1 광원부; 제2 분광 측정을 위한 제2 광을 생성하는 제2 광원부; 상기 제1 광 또는 상기 제2 광을 상기 광학부로 전달하여 상기 광조사가 이루어지도록 하는 제1 광전달부; 상기 샘플 광을 이용하여 상기 제1 분광 측정을 수행하는 제1 분광분석부; 상기 샘플 광을 이용하여 상기 제2 분광 측정을 수행하는 제2 분광분석부; 및 상기 광학부로부터 상기 샘플 광을 전달받아 상기 제1 분광분석부 또는 상기 제2 분광분석부로 전달하는 제2 광전달부;를 포함하는 다중 신호 측정용 분광 장치를 제공한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 광전달부는, 상기 제1 광 또는 상기 제2 광을 선택적으로 반사 또는 투과시키는 모터 구동 미러, 다이크로익 미러 또는 빔스플리터일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 광전달부는, 상기 샘플 광을 상기 제1 분광분석부 또는 상기 제2 분광분석부에 선택적으로 전달하는 모터 구동 미러이거나, 상기 샘플 광을 상기 제1 분광분석부 또는 상기 제2 분광분석부로 분할하여 전달하는 빔스플리터일 수 있다.
또한, 상기 제1 광원부의 전단에는 제1 광필터가 구비되고, 상기 제2 광원부의 전단에는 제2 광필터가 구비될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 분광 측정은 라만 분석이고, 상기 제1 분광분석부는 라만 분석을 위한 분광기 및 분광 검출기를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 분광 측정은 FRET 분석이고, 상기 제2 분광분석부는 상기 샘플 광에서 도너 신호를 검출하는 제1 형광 검출기와 상기 샘플 광에서 억셉터 신호를 검출하는 제2 형광 검출기를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 제1 광원부와 상기 제1 분광분석부의 작동 및 상기 제2 광원부와 상기 제2 분광분석의 작동은 각각 동기 제어될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 광원부에서의 상기 제1 광의 생성을 검출하는 제1 센서와 상기 제2 광원부에서의 상기 제2 광의 생성을 검출하는 제2 센서가 더 포함될 수 있다.
상기 제1 센서가 상기 제1 광의 생성을 검출한 경우, 상기 제1 광이 상기 광학부로 전달되도록 상기 제1 광전달부가 제어되고, 상기 제1 광에 따른 상기 시료에서의 상기 샘플광이 상기 제1 분광분석부로 전달되도록 상기 제2 광전달부가 제어될 수 있다.
또한, 상기 제2 센서가 상기 제2 광의 생성을 검출한 경우, 상기 제2 광이 상기 광학부로 전달되도록 상기 제1 광전달부가 제어되고, 상기 제1 광에 따른 상기 시료에서의 상기 샘플광이 상기 제2 분광분석부로 전달되도록 상기 제2 광전달부가 제어될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다중 신호 측정용 분광 장치에 의하면, 복수의 광학 측정, 구체적으로는 라만 분광법과 FRET 분광법을 하나의 장치에서 모두 활용할 수 있는 효과가 있다.
또한, 광원부에서 출력된 광의 출력 피드백을 이용하여 광학계의 광 경로를 결정하는 구성요소를 제어함으로써 제1 분광 측정을 위한 동기 제어 및 제2 분광 측정을 위한 동기 제어를 가능하게 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 구체적인 실시예에 따르면, FRET 분광 측정을 위한 구성 요소와 라만 분광 측정을 위한 구성 요소를 결합함으로써 더욱 우수한 성능의 분자 진단이 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 다중 신호 측정용 분광 장치의 구성도이다.
도 2는 도 1의 제2 광전달부의 오픈 또는 클로즈 상태에 따른 광 신호의 전달 상태를 예시한 도면이다.
도 3은 도 1의 제2 광전달부의 오픈 또는 클로즈 상태에 따른 다중 신호 검출 타이밍을 보여주는 도면이다.
도 4는 도 1의 제2 광전달부가 빔스플리터로 대체되는 경우에 따른 다중 신호 검출 타이밍을 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 다중 신호 측정용 분광 장치가 적용될 수 있는 시료를 설명하기 위한 제1 도면이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 다중 신호 측정용 분광 장치가 적용될 수 있는 시료를 설명하기 위한 제2 도면이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 다중 신호 측정용 분광 장치의 구성도이다.
도 8은 센서부의 레이저 출력 타이밍 센싱 과정을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 다중 신호 측정용 분광 장치의 구성도이고, 도 2는 도 1의 제2 광전달부의 오픈 또는 클로즈 상태에 따른 광 신호의 전달 상태를 예시한 도면이다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 다중 신호 측정용 분광 장치(1)는 복수의 레이저 광의 광 경로를 결정하는 구성요소를 제어함으로써 시료(SAMPLE)로부터 측정되는 라만 신호와 형광(FRET, Fluorescence Resonance Energy Transfer) 신호에 대해 순차적 및 독립적으로 측정이 가능한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 다중 신호 측정용 분광 장치(1)는, 제1 분광 측정을 위한 제1 광을 생성하는 제1 광원부(10), 제2 분광 측정을 위한 제2 광을 생성하는 제2 광원부(20), 제1 분광 측정을 위하여 시료로부터 반사된 광을 검출하기 위한 분광기(100)와 분광 검출기(110) 및 제2 분광 측정을 위하여 시료로부터 반사된 광을 검출하는 제1 형광 검출기(120)와 제2 형광 검출기(130)를 포함한다. 또한, 다중 신호 측정용 분광 장치(1)는 샘플(SAMPLE)이 놓여지고 샘플(SAMPLE)에 광을 조사하고 반사된 광을 외부로 전달하는 광학부(60)를 더 포함할 수 있다. 이하의 설명에서, 분광기(100)와 분광 검출기(110)는 제1 분광분석부로 칭해질 수 있고, 제1 형광 검출기(120)와 제2 형광 검출기(130)는 제2 분광분석부로 칭해질 수 있다.
일 실시예에 있어서, 제1 분광 측정은 라만 분광 측정이고, 제1 광원부(10)는 시료(SAMPLE)의 라만 산란 현상 발생을 위한 제1 레이저 광을 조사할 수 있다. 여기에서, 제1 광원부(10)는 라만 여기(Raman Excitation)용 레이저 장치일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 제2 분광 측정은 FRET 분광 측정이고, 제2 광원부(20)는 적어도 둘 이상의 표지자가 포함되는 시료(SAMPLE)의 형광 현상 발생을 위한 제2 레이저 광을 조사할 수 있다. 여기에서, 제2 광원부(20)는 공여체 여기(Donor Excitation)용 레이저 장치일 수 있다.
한편, 제2 광원부(20)는, 하나만 구비되는 것이 아니라, 시료(SAMPLE)에 포함되는 표지자가 다수 존재하는 경우 다수의 표지자 사이의 에너지 공명 현상 발생을 위해 2개 이상으로 구비되는 것도 가능할 수 있다.
제1 광원부(10)와 제2 광원부(20)에서 생성된 제1 광과 제2 광을 시료로 전달하기 위하여 제1 광전달부(50)가 광 경로상에 구비된다. 일 실시예에 있어서, 제1 광전달부(50)는 제1 광원부(10)에서 생성된 제1 광은 반사하고 제2 광원부(20)에서 생성된 제2 광은 투과시켜 광학부(60)의 제1 포트(P1)로 전달한다. 또한, 도 1의 예시와는 달리, 경우에 따라서는 제1 광원부(10)와 제2 광원부(20)의 제1 광전달부(50)에 대한 배치가 서로 변경되는 것도 가능할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 제1 광전달부(50)는 다이크로익 미러(dichroic mirror) 또는 빔스플리터로 구성될 수 있다.
제1 광원부(10)의 전단에는 제1 광필터(30)가 구비될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 제1 광필터(30)는 밴드패스 필터로 구성되어, 제1 광원부(10)에서 생성된 제1 광의 특정 주파수 대역을 통과시킬 수 있다. 주파수 대역은 사용자 필요에 따라 적절히 결정될 수 있다. 만약, 제1 광원부(10)가 특정 주파수 대역의 레이저를 생성하도록 구성된 경우, 밴드패스 필터로서의 제1 광필터(30)가 생략되는 것도 가능할 수 있다.
도 1을 참조하면, 제1 광원부(10)와 제2 광원부(20)가 나란히 배치되고, 제2 광원부(20)의 광 경로상에 제1 광전달부(50)가 구비된 것으로 도시되어 있다. 이러한 배치에서 제1 광원부(10)에서 생성된 제1 광을 제1 광전달부(50)로 반사하기 위한 제1 미러(32)가 구비된다. 그러나, 제1 광원부(10)가 제1 광전달부(50)에 직접 광을 조사하는 형태로 배치되는 경우, 다시 말하면 제1 광원부(10)가 제2 광원부(20)와 직각을 이루면서 배치되는 경우에는 제1 미러(32)는 구비되지 않을 수 있다.
한편, 제2 광원부(20)의 전단에는 제2 광필터(40)가 구비될 수 있다. 제2 광필터(40)는, 제2 광원부(20)에서 조사된 제2 광의 특정 주파수 대역을 통과시키는 밴드패스 필터로 구성될 수 있다. 주파수 대역은 사용자 필요에 따라 적절히 결정될 수 있다. 만약, 제2 광원부(20)가 특정 주파수 대역의 레이저를 생성하도록 구성된 경우, 제2 광필터(40)가 생략되는 것도 가능할 수 있다.
광학부(60)는, 내부 광분배부(61), 대물 렌즈(OL), 광학 미러(63), 제1 포트(P1), 제2 포트(P2), 및 커버(LSC, Light Shiled Cover)를 포함할 수 있다. 광학부(60)는 샘플(SAMPLE)에 광을 조사하고, 샘플에서 반사 또는 발생된 광을 외부로 출력하는 기능을 수행한다. 이러한 광학부(60)는 일종의 현미경으로 이해될 수 있다.
내부 광분배부(61)는 제1 포트(P1)에 입력되는 제1 광 또는 제2 광을 대물 렌즈(OL)를 향해 반사하고, 샘플로부터의 광은 투과하도록 구성될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 일 실시예에 있어서, 내부 광분배부(61)는 다이크로익 미러 또는 빔스플리터로 구성되고, 제1 광 또는 제2 광을 대략 90도 방향으로 반사하도록 배치될 수 있다. 대물 렌즈(OL)를 통과한 제1 광 또는 제2 광은 시료(SAMPLE)에 조사되고, 시료(SAMPLE)의 라만 산란 또는 형광 현상을 발생시킬 수 있다. 본 발명의 적용예에 있어서, 시료(SAMPLE)는 나노 구조체로 구성되며, 타겟 물질의 분자 종류를 용이하게 검출하기 위한 형광 물질의 표지자를 포함할 수 있다.
제1 광 또는 제2 광에 의해 시료(SAMPLE)에서 발생하는 라만(Raman) 신호 또는 형광(FRET) 신호(이하에서, '샘플 광'으로 칭하기도 함)가 대물 렌즈(OL)를 통해 내부 광분배부(61)로 전달되고 광학 미러(63)에서 반사되어 제2 포트(P2)를 통해 외부로 전달될 수 있다.
커버(LSC)는 시료(SAMPLE)를 외부로부터 차폐하도록 구비될 수 있다. 커버(LSC)는 레이저 광이 외부로 노출되는 것을 차단할 수 있다.
제2 포트(P2)로부터 출력된 샘플 광은 분광기(100)와 분광 검출기(110)를 포함하는 제1 분광분석부 측으로 전달되거나, 제1 형광 검출기(120)와 제2 형광 검출기(130)를 포함하는 제2 분광분석부 측으로 전달된다. 일 실시예에 있어서, 제2 포트(P2)로부터의 샘플 광을 제1 분광분석부와 제2 분광분석부로 전달하기 위하여 제2 광전달부(70)가 구비된다.
일 실시예에 있어서, 제2 광전달부(70)는 제2 포트(P2)로부터의 샘플광을 전달받도록 구비된다. 또한, 제2 광전달부(70)는 제2 포트(P2)로부터의 샘플 광을 제1 분광분석부와 제2 분광분석부에 선택적으로 전달하도록 구성될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 제2 광전달부(70)는 모터 구동에 따라 오픈(Open) 또는 클로즈(Close) 상태로 동작하는 모터 구동 미러일 수 있다. 일 실시예에 있어서, 제2 광전달부(70)는 오픈 또는 클로즈 상태에 따라 제2 포트(P2)로부터의 샘플광을 투과 또는 차단하도록 구성될 수 있다. 구체적으로, 제2 광전달부(70)는 제2 포트(P2)를 통해 출력된 형광 신호를 투과하도록 오픈 상태로 동작할 수 있다(도 2의 (a) 참조). 제2 광전달부(70)는 제2 포트(P2)를 통해 출력된 라만 신호를 반사하도록 클로즈 상태로 동작할 수 있다(도 2의 (b) 참조). 또한, 본 발명의 실시에 있어서, 제1 광전달부(50)도 제1 광원부(10)에서 생성된 제1 광은 반사하고 제2 광원부(20)에서 생성된 제2 광은 투과시키도록 작동되는 모터 구동 미러로 구성되는 것도 가능할 수 있다.
한편, 제2 광전달부(70)는 빔스플리터로 대체될 수 있다. 이때 제2 광전달부(70)는 별도의 모터 구동 없이 샘플 광을 제1 분광분석부와 제2 분광분석부로 전달할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 빔스플리터로 구성된 제2 광전달부(70)는 형광 신호를 투과할 뿐만 아니라 라만 신호를 반사할 수 있다.
도 1에 도시된 실시예에서, 제1 분광 측정시, 제2 광전달부(70)에서 반사된 샘플 광은 제2 미러(80), 노치 필터(82), 및 롱패스필터(84)를 통해 제1 분광분석부로 전달된다.
제2 미러(80)는 제2 광전달부(70)에 의해 반사된 샘플 광을 노치 필터(82)를 향해 반사하도록 구비될 수 있다. 노치 필터(82)는, 제2 미러(80)에 의해 반사된 샘플 광으로부터 특정 주파수 대역을 제거할 수 있다.
롱패스필터(84)는 노치 필터(82)에 의해 특정 주파수 대역이 제거된 샘플 광으로부터 상대적으로 긴 파장을 통과시킬 수 있다. 롱패스필터(84)는 특정 주파수 대역이 제거되고 긴 파장만 남은 샘플 광을 분광기(100)로 전달할 수 있다.
분광기(100)는, 일종의 스펙트로미터(Spectrometer)일 수 있다. 분광기(100)는 롱패스필터(84)를 통과한 특정 주파수 대역이 제거되고 상대적으로 긴 파장을 가지는 특정 광 신호(예를 들면, 라만 신호)의 스펙트럼을 측정할 수 있다.
분광 검출기(110)는 분광기(100)로부터 측정된 스펙트럼을 전달받을 수 있다. 분광 검출기(110)는 측정된 스펙트럼을 아날로그 신호에서 디지털 신호로 변환할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 분광 검출기(110)는 검출된 스펙트럼 정보를 이용하여 시료(SAMPLE) 내 타겟 물질의 분자 종류에 대한 검출에 이용될 수 있다.
도 1에 도시된 실시예에서, 제2 분광 측정시, 제2 광전달부(70)로 전달된 샘플 광은 광분배부(90)를 통해 제2 분광분석부로 전달된다.
광분배부(90)는, 제2 광전달부(70)를 투과한 샘플 광을 제1 형광 검출기(120)와 제2 형광 검출기(130)로 분배한다. 광분배부(90)에서 반사된 샘플 광은 제3 미러(92)와 도너 필터(94)를 통해 제1 형광 검출기(120)로 전달되고, 광분배부(90)를 투과한 샘플 광은 억셉터 필터(96)를 통과하여 제2 형광 검출기(130)로 전달된다. 만약, 제1 형광 검출기(120)가 광분배부(90)의 광 반사 경로에 직접 배치된 경우에는 제3 미러(92)는 생략될 수 있다.
도너 필터(94)는 샘플 광에 포함된 형광 신호로부터 도너(Donor) 신호에 대응하는 파장을 통과시킬 수 있다. 도너 필터(94)에 의해 필터링된 도너 신호에 대응하는 파장은 제1 형광 검출기(120)에 전달된다.
제1 형광 검출기(120)는, 도너 필터(94)를 통과한 형광 신호로부터 도너 신호를 검출할 수 있다. 제1 형광 검출기(120)는 포토 멀티플라이어 튜브(Photo multiplier tube)일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 제1 형광 검출기(120)는 포토 다이오드형(Photo Diode) 검출기, CCD(Charge Coupled Device), CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 등 각종 반도체형 검출기로 대체 적용될 수 있다. 제1 형광 검출기(120)에 의해 검출된 도너 신호는 시료 내 타겟 물질의 분자 종류에 대한 검출에 이용될 수 있다.
억셉터 필터(96)는, 광분배부(90)를 투과한 샘플 광에 포함된 형광 신호로부터 억셉터(Acceptor) 신호에 대응하는 파장을 통과시킬 수 있다. 억셉터 필터(96)는 필터링된 억셉터 신호에 대응하는 파장을 제2 형광 검출기(130)로 전달할 수 있다.
제2 형광 검출기(130)는, 억셉터 필터(96)를 통과한 형광 신호로부터 억셉터 신호를 검출할 수 있다. 제2 형광 검출기(130)는 포토 멀티플라이어 튜브(Photo multiplier tube)일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 제2 형광 검출기(130)는 포토 다이오드형(Photo Diode) 검출기, CCD(Charge Coupled Device), CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 등 각종 반도체형 검출기로 대체 적용될 수 있다. 제2 형광 검출기(130)에 의해 검출된 억셉터 신호는 도너 신호와 함께 시료(SAMPLE)내 타겟 물질의 분자 종류에 대한 검출에 이용될 수 있다.
도 3은 도 1의 제2 광전달부의 오픈 또는 클로즈 상태에 따른 다중 신호 검출 타이밍을 보여주는 도면이다.
도 3을 참고하면, 제2 광전달부(70)의 오픈 또는 클로즈 상태 조절에 따른 제1 분광 측정과 제2 분광 측정에서의 순차적 및 독립적 검출 타이밍을 확인할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 제1 분광 측정시(예를 들면, 라만 측정시)에는 제1 광원부(10)가 동작 온(ON) 상태가 되어 제1 광을 출력하고, 시료에서 제1 광의 조사에 따른 샘플 광(라만 신호)이 발생하고, 제2 광전달부(70)는 클로즈 상태로 유지되어 샘플 광을 분광기(100)를 향해 반사하게 된다. 이때 분광기(100)는 샘플 광의 분배 없이 최대의 효율로 샘플 광의 검출이 가능하다.
일 실시예에 있어서, 제2 분광 측정시(예를 들면, 형광 측정시)에는, 제2 광원부(20)가 동작 온(ON) 상태가 되어 제2 광을 출력하고, 시료에서 제2 광의 조사에 따른 샘플 광(형광 신호)이 발생하고, 제2 광전달부(70)가 오픈 상태로 전환되어 샘플 광을 제1 형광 검출기(120)와 제2 형광 검출기(130)를 향해 투과하게 된다. 이때 제1 형광 검출기(120)와 제2 형광 검출기(130)는 샘플 광의 분배 없이 최대의 효율로 샘플 광의 검출이 가능하다.
도 4는 도 1의 제2 광전달부가 빔스플리터로 대체되는 경우에 따른 다중 신호 검출 타이밍을 보여주는 도면이다.
도 4를 참고하면, 제2 광전달부(70)가 빔스플리터인 경우에 따른 제1 분광 측정과 제2 분광 측정에서의 순차적 및 독립적 검출 타이밍을 확인할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 제1 분광 측정시(예를 들면, 라만 측정시)에는 제1 광원부(10)가 동작 온(ON) 상태가 되어 제1 광을 출력하고, 제1 광에 의해 시료에서 제1 광의 조사에 따른 샘플 광(라만 신호)이 발생하고, 제2 광전달부(70)가 샘플 광을 분광기(100)를 향해 반사하게 된다. 이때 분광기(100)는 샘플 광의 검출이 가능하다.
일 실시예에 있어서, 제2 분광 측정시(예를 들면, 형광 측정시)에는, 제2 광원부(20)가 동작 온(ON) 상태가 되어 제2 광을 출력하고, 제2 광에 의해 시료에서 샘플 광(형광 신호)이 발생하고, 제2 광전달부(70)가 샘플 광을 제1 형광 검출기(120)와 제2 형광 검출기(130)를 향해 투과하게 된다. 이때 제1 형광 검출기(120)와 제2 형광 검출기(130)는 샘플 광의 검출이 가능하다.
본 발명에 따른 다중 신호 측정용 분광 장치가 적용될 수 있는 시료를 예시적으로 설명한다. 다만, 도 5와 도 6을 참조하여 설명하는 것은 본 발명의 예시적인 적용예이며, 도 5와 도 6에 도시된 시료에 대해서만 본 발명이 적용될 수 있는 것은 아니라는 점은 유의하기 바란다.
나노 구조체는 나노 구조체의 결합 상태에 따라 Low Positive type(LP TYPE)과 High Positive type(HP TYPE)으로 구분될 수 있는데, 도 4는 LP TYPE을, 도 5는 HP TYPE을 예시적으로 나타낸다.
도 5는 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 다중 신호 측정용 분광 장치가 적용될 수 있는 시료를 설명하기 위한 제1 도면이다.
도 5를 참고하면, 다중 신호 측정용 분광 장치(1)가 적용될 수 있는 시료(SAMPLE)의 경우, 복수의 나노 구조체(NS1, NS2), 복수의 표지자(T1, T2), 및 타겟 물질(TARGET)을 포함할 수 있다.
도 5의 (a)는 복수의 나노 구조체(NS1, NS2)가 결합된 상태를 보여주고, 도 5의 (b)는 복수의 나노 구조체(NS1, NS2)가 분해된 상태를 보여준다.
복수의 나노 구조체(NS1, NS2)는 제1 염기서열(S1)을 가지는 제1 나노 구조체(NS1)와 제2 염기서열(S2)을 가지는 제2 나노 구조체(NS2)를 포함할 수 있다.
LP TYPE은 하나의 구조체(NS1)와 타겟물질(TARGET) 각각에 형광 물질(T1, T2)이 표지되는 것을 나타낸다. 제1 형광물질(T1)은 제1 구조체(NS1)에 직접 표지될 수 있다. 또한, 제2 형광물질(T2)은 DNA(deoxyribonucleic acid), RNA(Ribonucleic acid), 아미노산중합체 등의 타겟 물질(TARGET)에 직접 표지될 수 있다. 제1 형광물질(T1)과 제2 형광물질(T2)은 대략 10nm 이하의 간격을 가질 수 있다. 제1 형광물질(T1)로부터 도너 신호가 출력되고, 제2 형광물질(T2)로부터 억셉터 신호가 출력될 수 있다.
본 발명의 다중 신호 측정용 분광 장치(1)는 LP TYPE의 나노 구조체가 포함된 시료(SAMPLE)로부터 형광 신호와 라만 신호를 순차적으로 검출할 수 있다. 이러한 형광 신호와 라만 신호를 통해 타겟 물질(TARGET)의 분자 종류가 검출될 수 있다.
도 6은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 다중 신호 측정용 분광 장치가 적용될 수 있는 시료를 설명하기 위한 제2 도면이다.
도 6을 참고하면, 다중 신호 측정용 분광 장치(1)에 이용되는 시료(SAMPLE)의 경우, 복수의 나노 구조체(NS1, NS2), 복수의 표지자(T1, T2), 및 타겟 물질(TARGET)을 포함할 수 있다.
도 6의 (a)는 복수의 나노 구조체(NS1, NS2)가 결합된 상태를 보여주고, 도 6의 (b)는 복수의 나노 구조체(NS1, NS2)가 분해된 상태를 보여준다.
HP TYPE은 두 개의 나노 구조체 측(NS1, NS2)에 형광 물질(T1, T2)이 표지되는 것을 나타낸다. 이경우 타겟 물질(TARGET)에 형광물질(T1, T2)이 표지되지 않는다. 제1 형광물질(T1)과 제2 형광물질(T2)은 대략 10nm 이하의 간격을 가질 수 있다. 제1 형광물질(T1)로부터 도너 신호가 출력되고, 제2 형광물질(T2)로부터 억셉터 신호가 출력될 수 있다.
본 발명의 다중 신호 측정용 분광 장치(1)는 HP TYPE의 나노 구조체가 포함된 시료(SAMPLE)로부터 형광 신호와 라만 신호를 순차적으로 검출할 수 있다. 이러한 형광 신호와 라만 신호를 통해 타겟 물질(TARGET)의 분자 종류가 검출될 수 있다.
한편 타겟 물질(TARGET)이 대상에서 직접 추출된 검체일 경우, 형광물질(T1, T2)을 표지하는 별도 작업이 필요하므로 LP TYPE에 비해 HP TYPE의 편리성이 떨어진다.
본 발명에 따른 다중 신호 측정용 분광 장치를 적용하면, 나노 구조체가 포함된 시약에 두 개 이상의 형광물질을 도입하여 FRET 신호를 관찰함으로써 나노 구조체의 결합 상태에 대한 정보를 취득하는 효과가 있다. 또한, 나노 구조체의 결합 상태에 따라 HP TYPE과 LP TYPE으로 정의될 수 있으며 구조체를 매개하는 결합 물질의 특이성을 확인하는 효과가 있다. 또한, 타겟 물질의 염기서열 또는 폴리펩타이드 구조에 선택적으로 반응하도록 결합 물질을 선정하고 나노 구조를 설계함으로써 매우 유용한 분자/생체 진단 기술로 활용이 가능한 효과가 있다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 다중 신호 측정용 분광 장치의 구성도이다.
도 7을 참고하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 다중 신호 측정용 분광 장치(2)는, 제1 광원부(10)와 제2 광원부(20)에서 출력되는 광의 피드백 신호를 이용하여 제1 광과 제2 광 및 시료(SAMPLE)로부터의 샘플 광의 광 경로를 결정하는 각종 구성요소를 제어함으로써 제1 분광 측정과 제2 분광 측정의 동기 제어가 가능한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 다중 신호 측정용 분광 장치(2)는, 제1 분광 측정을 위한 샘플 광과 제2 분광 측정을 위한 광학 요소의 동기 제어를 통해 시간 지연이 감소됨에 따라 더욱 우수한 성능으로 분광 측정이 가능한 효과가 있다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 다중 신호 측정용 분광 장치(2)는, 도 1의 제1 실시예에 따른 다중 신호 측정용 분광 장치(1)의 대부분의 구성요소를 포함하되, 제1 센서(210), 제2 센서(220), 및 제어부(230)를 추가 구비하는 것을 특징으로 한다. 또한, 제1 광전달부(50)와 제2 광전달부(70)는 제어부(230)의 제어에 따라 오픈 또는 클로즈 상태로 전환되어 레이저 광을 투과시키거나 반사하도록 구성된 모터 구동 미러일 수 있다.
이하, 도 1에서 설명한 구성 요소에 대해서는 반복 설명을 생략한다.
제1 센서(210)는 제1 광원부(10)의 제1 광을 센싱할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 제1 센서(210)는 제1 광원부(10)와 제1 광필터(30)의 사이에 구비될 수 있다. 제1 센서(210)는 포토 다이오드(Photo Diode) 센서일 수 있으나, 이에 한정되지 않고 비접촉식 센서 등으로 구성될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 제1 센서(210)는 제1 광원부(10)에서 생성된 제1 광이 제1 광필터(30)에 의해 반사되는 제1 광의 일부 반사 신호를 센싱할 수 있다. 즉, 제1 센서(210)는 제1 광원부(10)의 출력 피드백 신호를 생성할 수 있다.
제2 센서(220)는 제2 광원부(20)의 제2 광을 센싱할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 제2 센서(220)는 제2 광원부(20)와 제2 광필터(40)의 사이에 구비될 수 있다. 제2 센서(220)는 포토 다이오드(Photo Diode) 센서일 수 있으나, 이에 한정되지 않고 비접촉식 센서 등으로 구성될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 제2 센서(220)는 제2 광원부(20)에서 생성된 제2 광이 제2 광필터(40)에 의해 반사되는 제2 광의 일부 반사 신호를 센싱할 수 있다. 즉, 제2 센서(220)는 제2 광원부(20)의 출력 피드백 신호를 생성할 수 있다.
제어부(230)는, 제1 센서(210)와 제2 센서(220)로부터 센싱 정보를 전달받을 수 있다. 상기 센싱 정보는 제1 광원부(10)와 제2 광원부(20)의 출력 타이밍을 포함할 수 있다.
제어부(230)는 제1 광원부(10)와 제2 광원부(20)의 출력 타이밍을 기초로 제1 광전달부(50)와 제2 광전달부(70)를 구동하여, 광의 투과 또는 반사를 제어할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 제1 광원부(10)의 제1 광이 출력되고, 제2 광원부(20)의 제2 광이 출력되지 않는 경우, 제어부(230)는 제1 광을 반사하도록 제1 광전달부(50)를 제어하고, 제1 광의 조사에 의해 시료에서 생성된 샘플 광을 반사하도록 제2 광전달부(70)를 제어할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 제1 광원부(10)의 제1 광이 출력되지 않고, 제2 광원부(20)의 제2 광이 출력되는 경우, 제어부(230)는 제2 광을 투과하도록 제1 광전달부(50)를 제어하고, 제2 광의 조사에 의해 시료에서 생성된 샘플 광을 투과하도록 제2 광원부(20)를 제어할 수 있다.
이와 같이, 제어부(230)는 제1 광원부(10)와 제2 광원부(20)의 출력 타이밍을 이용하여 제1 광전달부(50)와 제2 광전달부(70)를 적절히 구동함으로써 시료(SAMPLE)에 조사되는 제1 광 또는 제2 광의 송신 타이밍과 시료(SAMPLE)로부터 반사된 샘플 광의 수신 타이밍을 동기화할 수 있다.
제어부(230)는 상술한 바 있는 억셉터 신호, 도너 신호, 및 라만 신호의 스펙트럼을 이용하여 시료(SAMPLE)의 특성을 검출할 수 있다.
도 8은 레이저 출력 타이밍 센싱 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 8을 참고하면, 제1 센서(210)는 제1 광원부(10)에서 제1 광필터(30)에서 반사되는 제1 광의 일부를 검출함으로써 제1 광의 출력 타이밍을 센싱할 수 있다. 여기서, 제1 광필터(30)는 공기 상에서 1의 굴절률을 가지고, 유리 상에서 1.4 내지 1.7의 굴절율을 가질 수 있다. 이때 R은 (ns-n0)/(ns+n0)2으로 나타날 수 있다. 일 실시예에 있어서, ns는 1.5이고, ns0는 1이며, R은 0.04일 수 있다. 이는 제1 센서(210)에서 검출하기에 충분한 양일 수 있다.
제어부(230)는 제1 센서(210)에서 검출한 반사 광을 기초로 제1 광원부(10)의 출력 타이밍을 확인할 수 있다. 이를 통해 제어부(230)는 광 경로에 영향을 미치지 않고 광 출력의 손실을 야기하지 않으면서도 정확한 타이밍으로 제1 광전달부(50)와 제2 광전달부(70)의 반사 또는 투과 상태를 제어함으로써 제1 분광 측정을 위한 동기화를 수행할 수 있다.
한편, 제2 센서(220)는 제1 센서(210)와 동일하게 제2 광원부(20)의 출력 타이밍을 센싱할 수 있다. 또한, 제어부(230)는 제2 광원부(20)의 출력 타이밍을 이용하여 제1 광전달부(50)와 제2 광전달부(70)의 반사 또는 투과 상태를 제어함으로써 제2 분광 측정을 위한 동기화를 수행할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 단계들 및/또는 동작들은 기술분야의 통상의 기술자에 의해 이해될 수 있는 것과 같이, 다른 순서로, 또는 병렬적으로, 또는 다른 에포크(epoch) 등을 위해 다른 실시 예들에서 동시에 일어날 수 있다.
실시 예에 따라서는, 단계들 및/또는 동작들의 일부 또는 전부는 하나 이상의 비-일시적 컴퓨터-판독가능 매체에 저장된 명령, 프로그램, 상호작용 데이터 구조(interactive data structure), 클라이언트 및/또는 서버를 구동하는 하나 이상의 프로세서들을 사용하여 적어도 일부가 구현되거나 또는 수행될 수 있다. 하나 이상의 비-일시적 컴퓨터-판독가능 매체는 예시적으로 소프트웨어, 펌웨어, 하드웨어, 및/또는 그것들의 어떠한 조합일 수 있다. 또한, 본 명세서에서 논의된 "모듈"의 기능은 소프트웨어, 펌웨어, 하드웨어, 및/또는 그것들의 어떠한 조합으로 구현될 수 있다.
1, 2: 다중 신호 측정용 분광 장치
10 : 제1 광원부
20 : 제2 광원부
30 : 제1 광필터
32 : 제1 미러
40 : 제2 광필터
50 : 제1 광전달부
60 : 광학부
70 : 제2 광전달부
80 : 제2 미러
90 : 광분배부
100 : 분광기
110 : 분광 검출기
120 : 제1 형광 검출기
130 : 제2 형광 검출기

Claims (10)

  1. 시료가 놓여지며, 상기 시료에 대한 광조사와 상기 광조사에 따른 샘플 광을 전달하는 광학부;
    제1 분광 측정을 위한 제1 광을 생성하는 제1 광원부;
    제2 분광 측정을 위한 제2 광을 생성하는 제2 광원부;
    상기 제1 광 또는 상기 제2 광을 상기 광학부로 전달하여 상기 광조사가 이루어지도록 하는 제1 광전달부;
    상기 샘플 광을 이용하여 상기 제1 분광 측정을 수행하는 제1 분광분석부;
    상기 샘플 광을 이용하여 상기 제2 분광 측정을 수행하는 제2 분광분석부; 및
    상기 광학부로부터 상기 샘플 광을 전달받아 상기 제1 분광분석부 또는 상기 제2 분광분석부로 전달하는 제2 광전달부;
    를 포함하는 다중 신호 측정용 분광 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 광전달부는, 상기 제1 광 또는 상기 제2 광을 선택적으로 반사 또는 투과시키는 모터 구동 미러, 다이크로익 미러 또는 빔스플리터인 것을 특징으로 하는 다중 신호 측정용 분광 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 광전달부는, 상기 샘플 광을 상기 제1 분광분석부 또는 상기 제2 분광분석부에 선택적으로 전달하는 모터 구동 미러이거나, 상기 샘플 광을 상기 제1 분광분석부 또는 상기 제2 분광분석부로 분할하여 전달하는 빔스플리터인 것을 특징으로 하는 다중 신호 측정용 분광 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 광원부의 전단에는 제1 광필터가 구비되고, 상기 제2 광원부의 전단에는 제2 광필터가 구비되는 것을 특징으로 하는 다중 신호 측정용 분광 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 분광 측정은 라만 분석이고, 상기 제1 분광분석부는 상기 라만 분석을 위한 분광기 및 분광 검출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 신호 측정용 분광 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 분광 측정은 FRET 분석이고, 상기 제2 분광분석부는 상기 샘플 광에서 도너 신호를 검출하는 제1 형광 검출기와 상기 샘플 광에서 억셉터 신호를 검출하는 제2 형광 검출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 신호 측정용 분광 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 광원부와 상기 제1 분광분석부의 작동 및 상기 제2 광원부와 상기 제2 분광분석의 작동은 각각 동기 제어되는 것을 특징으로 하는 다중 신호 측정용 분광 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제1 광원부에서의 상기 제1 광의 생성을 검출하는 제1 센서와 상기 제2 광원부에서의 상기 제2 광의 생성을 검출하는 제2 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 신호 측정용 분광 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제1 센서가 상기 제1 광의 생성을 검출한 경우, 상기 제1 광이 상기 광학부로 전달되도록 상기 제1 광전달부가 제어되고, 상기 제1 광에 따른 상기 시료에서의 상기 샘플광이 상기 제1 분광분석부로 전달되도록 상기 제2 광전달부가 제어되는 것을 특징으로 하는 다중 신호 측정용 분광 장치.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 제2 센서가 상기 제2 광의 생성을 검출한 경우, 상기 제2 광이 상기 광학부로 전달되도록 상기 제1 광전달부가 제어되고, 상기 제1 광에 따른 상기 시료에서의 상기 샘플광이 상기 제2 분광분석부로 전달되도록 상기 제2 광전달부가 제어되는 것을 특징으로 하는 다중 신호 측정용 분광 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR102043765B1 (ko) 2019-04-23 2019-11-12 나노스코프시스템즈 주식회사 다중 측정 라만 분광기

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KR102043765B1 (ko) 2019-04-23 2019-11-12 나노스코프시스템즈 주식회사 다중 측정 라만 분광기

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