WO2010110523A1 - 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 센서 - Google Patents

표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 센서 Download PDF

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WO2010110523A1
WO2010110523A1 PCT/KR2009/006650 KR2009006650W WO2010110523A1 WO 2010110523 A1 WO2010110523 A1 WO 2010110523A1 KR 2009006650 W KR2009006650 W KR 2009006650W WO 2010110523 A1 WO2010110523 A1 WO 2010110523A1
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prism
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light source
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주흥로
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주식회사 엑스엘
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    • H01L31/02—Details

Definitions

  • the present invention relates to a change in the surface plasmon resonance angle with respect to the incident angle of a light source caused by a physical, chemical and biological reaction between a reactant immobilized on a metal thin film and a material to be detected, or the resulting reflectance at a fixed incident angle
  • the present invention relates to an optical sensor using surface plasmon resonance to measure physical, chemical and biological substances using surface plasmon resonance to detect change.
  • SPR sensors have been developed that measure a number of physical, chemical and biological substances based on surface plasmon resonance.
  • 1 is a view showing a Kretschmann measurement method for inducing surface plasmon resonance using a conventional prism.
  • a thin metal film 110 is thinly deposited on an upper portion of a prism, and a receptor 120 is fixed to an upper layer of the metal thin film, and thus inside the sample cell 130.
  • the detection material 140 to be detected is detected and the detection material 140 is discriminated by measuring the change in the reflectance of the light reflected by the metal thin film 110 through the prism 150 or the change in the resonance angle with respect to the incident angle. do.
  • the receptor 120 includes a chemical receptor or a bioreceptor.
  • the surface plasmon resonance is a collective movement of electrons on the metal surface of the thin film, and when the electric field is applied to two medium interfaces having different dielectric functions, that is, the interface between the metal and the dielectric, Because of the discontinuity, surface charges are induced and vibrations of these surface charges appear as surface plasmon waves.
  • This surface plasmon wave can be optically excited only by a transverse magnetic polarized wave (TM) with respect to the incident surface, and is often excitable when light is incident at a certain angle or more. Prism is used.
  • TM transverse magnetic polarized wave
  • FIG. 2 is a curve of reflectance with respect to an incident angle observed in the measuring system of FIG. 1
  • FIG. 3 is a curve showing a change in reflectance caused by a change in reflectance curve at a fixed incident angle observed in the measuring system of FIG. 1.
  • the surface plasmon resonance angle is measured from the reflectance curve with respect to the incident angle, and the physical, chemical, The biological change is made, and the resonant angle ( ⁇ ) which is slightly changed is measured to perform qualitative or quantitative measurement of the substance to be detected.
  • the surface plasmon resonance sensor also uses the resonance angle change ⁇ extracted from the reflectance curve with respect to the incident angle ⁇ , and is observed at a specific incident angle ⁇ near the resonance angle as shown in FIG. 3.
  • a qualitative or quantitative measurement may be performed by measuring a change in reflectance ( ⁇ R) itself induced by a change in refractive index near a metal thin film.
  • ⁇ R change in reflectance
  • a substance which selectively reacts with a specific material to be detected is often immobilized on the metal thin film to measure the presence and quantitative value of the material to be detected.
  • a laser light source having excellent straightness is used, and a light source that measures or converges or diverges reflectances while varying the incidence angle is used.
  • a method of obtaining a reflectance curve with respect to an incident angle using a light receiving element has been used, a method of obtaining a reflectance for a certain incident angle range is basically a complicated and large sized incident light and a receiving optical system for measuring, and mechanically adjusting the incident angle. It has a disadvantage that there are limited problems in price, portability and mobility of the measurement system because it is more bulky and heavy.
  • FIG. 3 for solving the problem of FIG. 2 is a method of measuring the change of reflectance ( ⁇ R) itself induced by a change in refractive index near the metal thin film observed at a specific incidence angle ( ⁇ ) near the resonance angle. Measurement is made at the angle of incidence, so that the light source uses a low-cost semiconductor laser light source having excellent linearity, and the light receiving portion can use a low-cost narrow channel receiving element instead of an expensive array type element, thereby simplifying the measuring device. There are advantages to it.
  • the reflectance is measured for a certain range of incidence angles including the surface plasmon resonance angle, and then the incidence angle is fixed. Since the position of the light receiving element must be changed whenever the incident angle of the incident light changes, In assembling an actual device that reproduces a desired angle of incidence from a reflectance curve with respect to the angle of incidence, there is a problem that it is difficult to make the incident light a desired constant angle of incidence.
  • an object of the present invention is to measure a reflectance curve with respect to an incident angle, and to facilitate a process of fixing an optical system by finding a specific incident angle to be fixed.
  • the technical problem to be solved by the present invention is to improve the usability of the measuring device by eliminating the need to move the position of the light receiving element of the light receiving unit even if the angle of incidence is changed according to the necessity of the measurement even after fixing the incident angle of the incident light. .
  • An optical sensor using surface plasmon resonance includes a light source for emitting light of a specific wavelength; A rotating device for adjusting an incident angle of the light source; A prism in which the light source is incident on one surface and refracts light; A metal thin film for reflecting light incident on the prism at an angle of exciting surface plasmons; A condenser lens for condensing light reflected from the metal thin film to the other surface of the prism; And a light receiving element for detecting the light collected through the light collecting lens. It is characterized by forming in accordance with.
  • an optical sensor using surface plasmon resonance includes: a light source emitting light having a specific wavelength; A rotatable mirror that reflects light in the prism direction to cause the light source to enter the prism; A prism in which the light source is incident on one surface and refracts light; A metal thin film reflecting light incident on the prism at an angle of exciting surface plasmons; A condenser lens for condensing light reflected from the metal thin film to the other surface of the prism; And a light receiving element for detecting light reflected from the metal thin film to the other surface of the prism and using the light as measuring light. It is characterized by forming in accordance with.
  • a is the distance from the mirror surface to which the light source is reflected
  • b is the distance from the light collecting lens to the light receiving element
  • f is the focal length of the light collecting lens
  • an optical sensor using surface plasmon resonance includes a light source that emits light and converges or diverges; A prism in which the light source is incident on one surface and refracts light; A metal thin film reflecting light incident on the prism at an angle of exciting surface plasmons; A condenser lens for condensing light reflected from the metal thin film to the other surface of the prism; And an array type light receiving device that detects light reflected from the metal thin film to the other surface of the prism, It is characterized by forming in accordance with.
  • the deviation of the incident angle ( ⁇ ) of the light source incident on the prism of the optical sensor using the plasmon resonance according to the feature is characterized in that the range of -6 ° to 6 ° centered on the surface plasmon resonance angle.
  • the angle and the incident angle ⁇ of any one of the same two angles of the prism of the optical sensor using the plasmon resonance according to the feature is characterized in that the same.
  • the prism of the optical sensor using plasmon resonance according to the above characteristics is characterized by forming an isosceles triangle.
  • the present invention does not require the movement of the light receiving element according to the change of the incident angle, thereby making it easy to measure the reflectance curve with respect to the incident angle.
  • the present invention has the effect of facilitating the process of fixing the optical system to find a specific incident angle to be fixed.
  • the present invention has the effect of increasing the usability of the measuring device by eliminating the need to move the position of the light receiving element of the light receiver even if the incident angle is changed.
  • the present invention is advantageous in quantifying the value of the incident angle of the unit cell of the array type light receiving device even in the measurement method of obtaining the surface plasmon resonance angle from the reflectance curve with respect to the incident angle using the array type light receiving device as the light receiving device. .
  • 1 is a view showing a Kretschmann measurement method for inducing surface plasmon resonance using a conventional prism.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a curve of reflectance with respect to an incident angle observed in the measuring system of FIG. 1.
  • FIG. 3 is a graph showing a change in reflectance caused by a change in reflectance curve at a fixed angle of incidence observed in the measuring system of FIG. 1.
  • FIG. 4 is a view showing the object and the actual image by the lens of the optical sensor using the surface plasmon resonance according to the present invention.
  • FIG. 5 is a view showing a first embodiment of an optical sensor using surface plasmon resonance according to the present invention.
  • FIG. 6 is a view showing a second embodiment of the optical sensor using the surface plasmon resonance according to the present invention.
  • FIG. 7 is a view showing a third embodiment of the optical sensor using the surface plasmon resonance according to the present invention.
  • rotating device 660 rotating mirror
  • FIG. 4 is a view showing the object and the actual image by the lens of the optical sensor using the surface plasmon resonance according to the present invention
  • Figure 5 is a view showing a first embodiment of the optical sensor using the surface plasmon resonance according to the present invention
  • 6 is a view showing a second embodiment of the optical sensor using the surface plasmon resonance according to the present invention
  • Figure 7 is a view showing a third embodiment of the optical sensor using the surface plasmon resonance according to the present invention.
  • the formula for designating the position of the light receiving element for detecting the light source by the refraction of the lens which is the basis of the embodiment of the present invention is as follows.
  • a represents a distance from the light source to the condenser lens
  • b represents a distance from the condenser lens to the light receiving element
  • f represents a focal length of the condenser lens
  • Equation 1 when the distance a from the light source to the condenser lens is 2f or more, the light receiving element is positioned at a point within 2f of the condenser lens, and the distance a from the light source to the condenser lens is within 2f. In the case of, the light receiving element is positioned at a point 2f or more from the condenser lens.
  • a and b shown in [Equation 1] should be a distance considering the refractive index and thickness of the material when light passes through the material other than air.
  • the first embodiment according to the present invention includes a light source 510, a rotating device 560, a prism 520, a metal thin film 530, a condenser lens 540, and a light receiving element 550. ).
  • the light source 510 emits light of a specific wavelength to the prism 520.
  • the rotating device 560 is a device rotatable to adjust the incident angle of the light source 510.
  • the deviation of the incident angle ( ⁇ ) incident on the prism 520 is characterized in that the optical system constituting [Equation 1] is in the range of -6 ° to 6 ° centered on the surface plasmon resonance angle,
  • the deviation of the incident angle ⁇ is not limited because it may be slightly different depending on the focal length of the condenser lens, the aperture of the condenser lens, and the size of the prism.
  • a in Equation 1 means a distance that the light emitted from the light source passes through one surface of the prism and is reflected by the metal thin film to reach the condenser lens through the other surface of the prism.
  • the prism 520 refracts the light source 510 when the light source 510 is incident on one surface.
  • the prism 520 is preferably formed of an isosceles triangle, and for convenience, the phenomenon of refraction on the prism surface of light not incident vertically is not shown.
  • the metal thin film 530 reflects light incident on the prism at an angle of exciting the surface plasmon.
  • the detection material may be discriminated by measuring a change in reflectance of the light reflected by the metal thin film 530 or a change in the resonance angle with respect to the incident angle.
  • the condenser lens 540 reflects light from the metal thin film 530 to the other surface of the prism 520.
  • the light receiving element 550 detects light collected through the condenser lens 540.
  • the optical sensor of the first embodiment having the above configuration is formed based on [Equation 1].
  • a second embodiment according to the present invention includes a light source 610, a rotating mirror 660, a prism 620, a metal thin film 630, a condenser lens 640, and a light receiving element 650. ).
  • the light source 610 emits light of a specific wavelength to the prism 620.
  • the rotating mirror 660 rotates to reflect light in the direction of the prism 620 so that the light source 610 is incident on the prism 620.
  • the rotating mirror 660 as in the embodiment of the present invention, may be configured as a mirror that can be rotated in one piece, but is not limited to this can be configured by combining a general mirror and a rotating device.
  • the deviation of the incident angle ( ⁇ ) incident on the prism 520 is characterized in that the optical system constituting the Equation 1 is in the range of -6 ° to 6 ° centered on the surface plasmon resonance angle, this deviation May vary according to the focal length of the condenser lens, the aperture of the condenser lens, and the size of the prism.
  • a in [Equation 1] is not a distance from the light source to the condenser lens, but passes through one surface of the prism on the mirror surface where the light source is reflected, and is reflected by the metal thin film to pass through the other surface of the prism. It means the distance to reach the lens.
  • the prism 620 refracts the light source by incident a light source onto one surface.
  • the prism 620 is preferably formed of an isosceles triangle, and for convenience, the phenomenon of refraction on the prism surface of light not incident vertically is not shown.
  • the metal thin film 630 reflects light incident on the prism 620 at an angle to excite the surface plasmon.
  • the detection material may be discriminated by measuring a change in reflectance of the light reflected by the metal thin film 630 or a change in the resonance angle with respect to the incident angle.
  • the condenser lens 640 is reflected from the metal thin film 630 to the other surface of the prism 620 to condense light.
  • the light receiving element 650 detects light collected through the condenser lens 640.
  • the optical sensor of the second embodiment having the above configuration is formed based on Equation 1, wherein a is the distance from the mirror surface to which the light source is reflected to the condenser lens.
  • the third embodiment of the present invention includes a light source 710, a prism 720, a metal thin film 730, a condenser lens 740, and an array type light receiving element 750. .
  • the light source 710 emits light of a specific wavelength to the prism 720 but converges or diverges.
  • the deviation of the incident angle ( ⁇ ) incident on the prism 520 is characterized in that the optical system constituting the Equation 1 is in the range of -6 ° to 6 ° centered on the surface plasmon resonance angle, this deviation May vary slightly depending on the focal length of the condenser lens, the aperture of the condenser lens, and the size of the prism.
  • a in [Equation 1] is such that the light emitted from the light source passes through one surface of the prism and is reflected by the metal thin film to reach the condenser lens through the other surface of the prism. Means distance.
  • the prism 720 is refracted by the light source is incident on one surface.
  • the prism 720 is preferably formed of an isosceles triangle, and for convenience, the phenomenon of refraction at the prism surface of light not incident vertically is not shown.
  • the metal thin film 730 reflects light incident on the prism 720 at an angle to excite the surface plasmon.
  • the detection material may be discriminated by measuring a change in reflectance of the light reflected by the metal thin film 730 or a change in the resonance angle with respect to the incident angle.
  • the condenser lens 740 is reflected from the metal thin film 730 to the other surface of the prism 720 to condense light.
  • the array type light receiving element 750 detects the light collected through the condenser lens 740.
  • the array type light receiving device 750 may obtain data of a two-dimensional form coming in at once.
  • the optical sensor of the third embodiment having the above configuration is formed based on [Equation 1].
  • the light emitted from the light source is reflected by the metal thin film through one surface of the prism, reflected by the other surface of the prism, and passes through the condensing lens to reach the light receiving element.
  • the detection material is discriminated by measuring the change in reflectance of the light reflected from the metal thin film or the change in the resonance angle with respect to the incident angle according to the detection material on the receptor.
  • the light collecting lens is positioned on the light source side instead of the light receiving element side, and at the same time, an optical sensor may be configured to satisfy Equation 1, but in this case, the light source is larger than the size of the light source. Since the shape appears on the light-receiving element surface, unlike the first to third embodiments, good results may not be obtained.
  • the reflectance is measured for a certain range of incidence angles including the surface plasmon resonance angle, and then the incidence angle is fixed. Since the position of the light receiving element must be changed whenever the incident angle of the incident light changes, In assembling an actual device that reproduces a desired angle of incidence from a reflectance curve, it is difficult to make incident light at a desired constant angle of incidence.
  • the invention can be said to be an invention that can be utilized in various fields to contribute to the development of technology by removing the limitations of various application devices that have plasmon resonance measurement methods by increasing the use of measuring devices.

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Abstract

본 발명은 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 센서 및 측정방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 금속박막에 고정된 반응물질과 검지하고자 하는 물질 사이에 생기는 물리, 화학, 및 생물학적 반응에 따라 발생하는 광원의 입사각에 대한 표면 플라즈몬 공명각의 변화 또는 이로 인해 수반되는 고정된 입사각에서의 반사율 변화를 검지하는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 물리, 화학 및 생물학적 물질을 측정하도록 하는 표면 플라즈몬 공명 광 센서에 관한 것이다.

Description

표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 센서
본 발명은 금속박막에 고정된 반응 물질과 검지하고자 하는 물질 사이에 생기는 물리, 화학 및 생물학적 반응에 따라 발생하는 광원의 입사각에 대한 표면 플라즈몬 공명각의 변화 또는 이로 인해 수반되는 고정된 입사각에서의 반사율 변화를 검지하는 표면 플라즈몬 공명을 이용하여 물리, 화학 및 생물학적 물질을 측정하도록 하는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 센서에 관한 것이다.
1960년대 말 Kretschmann이 프리즘을 이용하여 표면 플라즈몬 공명 현상(SPR: surface plasmon resonance)을 측정한 이래로 표면 플라즈몬 공명 현상에 기초한 수많은 물리, 화학 및 생물학적 물질을 측정하는 SPR 센서들이 개발되었다.
현재 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용하는 상용 계측 장치 및 시스템들이 Biacore, Texas Instruments, GWC Technologies, 및 HTS Biosystems 사 등에서 제조 및 판매되고 있다. 이러한 상용 계측 시스템들은 고가이고, 부피가 크므로 표면 플라즈몬 공명 센서의 소형화, 저가화, 고감도화를 위한 연구가 계속되고 있다.
국내에서도 한국전자통신연구원의 등록특허 10-0480340, 생명공학연구원의 등록특허 10-0511055, KMAC사의 등록특허 10-0628877, 및 대한민국 특허 10-0588987 등에서 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용하는 특허를 출원하여 등록된 바 있다.
도 1은 종래 프리즘을 사용하여 표면 플라즈몬 공명을 유도하는 Kretschmann 측정 방식을 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래의 표면 플라즈몬 공명을 이용한 측정 방식은 프리즘의 상부에는 금속박막(110)이 얇게 증착되고, 동 금속박막의 상층부에는 리셉터(120)가 고정되어 시료셀(130) 내부에 존재하는 검지하고자 하는 검지물질(140)을 검지하여 프리즘(150)을 통하여 상기 금속박막(110)에 반사되는 빛의 반사율 변화나 입사각에 대한 공명각의 변화를 측정하여 검지물질(140)을 감별한다. 이때, 상기 리셉터(120)은 케미컬 리셉터(chemical receptor) 또는 바이오 리셉터(bio receptor)를 포함한다.
여기서, 표면 플라즈몬 공명은 박막의 금속 표면에 존재하는 전자들의 집단적인 움직임으로서, 서로 다른 유전함수를 갖는 두 매질 경계면에서 즉, 금속과 유전체의 경계면에 전기장을 인가하면 두 매질 경계면에서 전기장 수직성분의 불연속성 때문에 표면 전하가 유도되고 이러한 표면 전하들의 진동이 표면 플라즈몬 파로 나타난다.
이 표면 플라즈몬 파는 광학적으로는 입사면에 대하여 횡자기 편광파(TM: Transverse Magnetic Polarized Wave)에 의해서만 여기(excite)될 수 있으며, 일정한 각도 이상으로 빛이 입사되어야 여기(excite)가 가능하므로, 흔히 프리즘이 사용된다.
도 2는 도 1의 측정계에서 관측되는 입사각에 대한 반사율의 곡선이고, 도 3은 도 1의 측정계에서 관측되는 고정된 입사각에서 반사율 곡선의 변화로 인하여 발생하는 반사율 변화를 보여주는 곡선이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 입사광에 의하여 표면 플라즈몬이 여기가 되면 그에 따라 금속면에서의 반사율이 달라지므로, 입사각에 대한 반사율 곡선으로부터 표면 플라즈몬 공명각을 측정하고, 동일한 금속표면에 물리, 화학, 생물학적인 변화를 주고, 다시 미세하게 변화된 공명각(△θ)을 측정하여, 검지하고자 하는 물질의 정성적 또는 정량적 측정을 하게 된다.
이와 같이, 표면 플라즈몬 공명 센서는 입사각(θ)에 대한 반사율 곡선에서 추출된 공명각 변화(△θ)를 이용하기도 하고, 도 3에 도시한 바와 같이 공명각 부근의 특정한 입사각(θ)에서 관찰되는 금속박막 부근의 굴절율 변화로 유도되는 반사율의 변화(△R) 자체를 측정하여 정성적 또는 정량적 측정을 하기도 한다. 금속박막 부근의 굴절율 변화를 유도하기 위해서는 흔히 금속박막에 검지하고자 하는 특정 물질과 선택적으로 반응하는 물질을 고정화하여, 검지하고자 하는 물질의 유무와 정량적인 값을 측정하게 된다.
그러나, 도 2와 같이 일정한 범위의 입사각에 대한 반사율 곡선을 얻기 위해서는 직진성이 우수한 레이저 광원을 사용하고, 입사각을 변화시키면서 반사율을 측정하거나, 수렴하거나 발산하는 광원을 사용하고 수광부에는 CCD와 같은 배열형 수광소자를 사용하여 입사각에 대한 반사율 곡선을 얻는 방식이 사용되어왔으나, 일정한 입사각 범위에 대하여 반사율을 얻는 방식은 기본적으로 측정을 위한 입사광 및 수광 광학계가 복잡하고 크기가 크며, 기계적으로 입사각을 조절할 경우에는 더욱 부피가 커지고, 무게 또한 무겁기 때문에 가격, 측정 시스템의 휴대성이나 이동성에 있어서 제한적인 문제가 있다는 단점이 있다.
따라서, 표면 플라즈몬 공명 측정 방식이 가지고 있는 다양한 응용성 활용에 많은 제약이 따른다는 문제점이 있다.
도 2의 문제를 하기 위한 도 3은 입사각을 고정시키고 공명각 부근의 특정한 입사각(θ)에서 관찰되는 금속박막 부근의 굴절율 변화로 유도되는 반사율의 변화(△R) 자체를 측정하는 방식은 고정된 입사각에서 측정하므로, 광원은 직진성이 우수한 저가의 반도체 레이저 광원을 사용하고, 수광부는 고가의 배열형 소자대신에, 저가인 좁은 수광 면적의 단일 채널 수광소자를 사용할 수 있으므로, 측정 장치가 간단해 질 수 있는 장점이 있다.
그러나, 장치를 조립하는 과정에서 표면 플라즈몬 공명각을 포함하는 일정한 범위의 입사각에 대하여 반사율을 측정하고 나서 입사각을 고정시켜야 하는데, 입사광의 입사각도가 변할 때마다 수광 소자의 위치가 바뀌어야 하므로, 측정된 입사각에 대한 반사율 곡선으로부터 원하는 입사각을 재현하는 실제 장치를 조립하는데 있어서 입사광을 원하는 일정한 입사 각도로 만들어 주기는 어렵다는 문제점이 있다.
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 입사각에 대한 반사율 곡선을 측정하고, 고정시키고자 하는 특정 입사각을 찾아서 광학계를 고정시키는 과정을 용이하게 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 입사광의 입사각을 고정한 후에도 측정의 필요성에 따라 입사각을 변화시키더라도 수광부의 수광소자의 위치를 이동할 필요가 없도록하여 측정장치의 활용성을 높이는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 한 특징에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 센서는 특정 파장의 광을 방출하는 광원과; 상기 광원의 입사각을 조절할 수 있는 회전장치와; 상기 광원이 일면에 입사하여 광을 굴절하는 프리즘과; 상기 프리즘에 표면 플라즈몬을 여기시키는 각도로 입사한 광을 반사시키기 위한 금속박막과; 상기 금속박막에서 프리즘의 타면으로 반사되는 광을 집광하는 집광렌즈; 및 상기 집광렌즈를 통해 집광된 광을 검출하는 수광소자를 포함하여 구성하되,
Figure PCTKR2009006650-appb-I000001
에 입각하여 형성하는 것을 특징으로 한다.
(단, a : 광원에서 집광렌즈까지의 거리, b : 집광렌즈에서 수광소자까지의 거리, f : 집광렌즈의 초점거리)
본 발명의 또 다른 특징에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 센서는 특정 파장의 광을 방출하는 광원과; 상기 광원을 프리즘에 입사시키기 위해 프리즘 방향으로 광을 반사시키는 회전 가능한 거울과; 상기 광원이 일면에 입사하여 광을 굴절하는 프리즘과; 상기 프리즘에 표면 플라즈몬을 여기시키는 각도로 입사한 광을 반사시키는 금속박막과; 상기 금속박막에서 프리즘의 타면으로 반사되는 광을 집광하는 집광렌즈; 및 상기 금속박막에서 프리즘의 타면으로 반사되는 광을 검출하여 측정광으로 사용하기 위한 수광소자를 포함하여 구성하되,
Figure PCTKR2009006650-appb-I000002
에 입각하여 형성하는 것을 특징으로 한다.
(단, a : 광원이 반사되는 거울면에서 집광렌즈까지의 거리, b : 집광렌즈에서 수광소자까지의 거리, f : 집광렌즈의 초점거리)
본 발명의 또 다른 특징에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 센서는 광을 방출하되 수렴 또는 발산하는 광원과; 상기 광원이 일면에 입사하여 광을 굴절하는 프리즘과; 상기 프리즘에 표면 플라즈몬을 여기시키는 각도로 입사한 광을 반사시키는 금속박막과; 상기 금속박막에서 프리즘의 타면으로 반사되는 광을 집광하는 집광렌즈; 및 상기 금속박막에서 프리즘의 타면으로 반사되는 광을 검출하는 배열형 수광소자를 포함하여 구성하되,
Figure PCTKR2009006650-appb-I000003
에 입각하여 형성하는 것을 특징으로 한다.
(단, a : 광원에서 집광렌즈까지의 거리, b : 집광렌즈에서 배열형 수광소자까지의 거리, f : 집광렌즈의 초점거리)
상기 특징에 따른 플라즈몬 공명을 이용한 광 센서의 상기 프리즘으로 입사하는 광원의 입사각(θ)의 편차는 표면 플라즈몬 공명각을 중심으로 -6° 내지 6°범위인 것을 특징으로 한다.
상기 특징에 따른 플라즈몬 공명을 이용한 광 센서의 상기 프리즘의 동일한 두개의 각 중 어느 하나의 각과 입사각(θ)은 동일한 것을 특징으로 한다.
상기 특징에 따른 플라즈몬 공명을 이용한 광 센서의 상기 프리즘은 이등변 삼각형을 이루는 것을 특징으로 한다.
이러한 본 발명의 특징에 따르면,
본 발명은 입사각의 변화에 따른 수광소자의 이동이 필요하지 않아 입사각에 대한 반사율 곡선의 측정을 용이하게 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 고정시키고자 하는 특정 입사각을 찾아 광학계를 고정시키는 과정을 용이하게 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 입사각을 변화 시키더라도 수광부의 수광소자의 위치를 이동할 필요가 없도록 하여 측정장치의 활용성을 높인다는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 수광 소자로 배열형 수광소자를 사용하여 입사각에 대한 반사율 곡선으로부터 표면 플라즈몬 공명각을 구하는 측정방식에서도 배열형 수광소자의 단위 셀의 입사각에 대한 값을 정량화 하는데 유리하다는 효과가 있다.
도 1은 종래 프리즘을 사용하여 표면 플라즈몬 공명을 유도하는 Kretschmann 측정 방식을 보여주는 도면이다.
도 2는 도 1의 측정계에서 관측되는 입사각에 대한 반사율의 곡선을 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1의 측정계에서 관측되는 고정된 입사각에서 반사율 곡선의 변화로 인하여 발생하는 반사율 변화를 보여주는 곡선을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 센서의 렌즈에 의한 물체와 실상을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 센서의 제1 실시 예를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 센서의 제2 실시 예를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 센서의 제 3 실시 예를 나타낸 도면이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
510, 610, 710 : 광원 520, 620, 720 : 프리즘
530, 630, 730 : 금속박막 540, 640, 740 : 집광렌즈
550, 650 : 수광소자 750 : 배열형 수광소자
560 : 회전장치 660 : 회전거울
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.
도 4는 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 센서의 렌즈에 의한 물체와 실상을 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 센서의 제1 실시 예를 나타낸 도면이고, 도 6은 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 센서의 제2 실시 예를 나타낸 도면이고, 도 7은 본 발명에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 센서의 제 3 실시 예를 나타낸 도면이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시 예의 기본이 되는 렌즈의 굴절에 의해 광원을 검출하는 수광소자의 위치를 지정하기 위한 공식은 다음과 같다.
수학식 1
Figure PCTKR2009006650-appb-M000001
여기서, a는 광원에서 집광렌즈까지의 거리를 나타내고, b는 집광렌즈에서 수광소자까지의 거리를 나타내며, f는 집광렌즈의 초점거리를 나타낸다.
상기 [수학식1]은 광원에서 집광렌즈까지의 거리(a)가 2f 이상의 경우, 수광소자는 집광렌즈로부터 2f 이내의 지점에 위치 하게 되며, 광원에서 집광렌즈까지의 거리(a)가 2f 이내의 경우, 수광소자는 집광렌즈로부터 2f 이상의 지점에 위치 하게 된다.
또한, [수학식 1]에 표시된 a 및 b는 광이 공기가 아닌 물질을 통과 할 때에는 그 물질의 굴절율과 두께를 고려한 거리가 되어야 한다.
렌즈의 공식 [수학식 1]은 표면 플라즈몬 공명을 이용한 센서에 사용된 바가 없으며, [수학식 1]과 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 센서를 접목하여 고정시키고자 하는 특정 입사각을 찾아 광학계를 고정시키는 과정이 용이하게 되었다.
도 5 내지 도 7은 [수학식1]의 공식을 크게 벗어나지 않는 범위에서 형성한다.
도 5에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 제1 실시 예는 광원(510), 회전장치(560), 프리즘(520), 금속박막(530), 집광렌즈(540), 및 수광소자(550)로 구성한다.
광원(510)은 특정 파장의 광을 프리즘(520)으로 방출한다.
회전장치(560)는 광원(510)의 입사각을 조절할 수 있도록 회전 가능한 장치이다. 이때, 프리즘(520)에 입사하는 입사각(θ)의 편차는 구성하는 광학계가 [수학식 1]을 만족하며 표면 플라즈몬 공명각을 중심으로 -6° 내지 6°범위인 것을 특징으로 하며, 이때, 입사각(θ)의 편차는 집광렌즈의 초점거리, 집광 렌즈의 구경, 프리즘의 크기에 따라 다소 차이가 있을 수 있어 한정하지 아니한다.
본 발명에 따른 제1 실시 예의 경우 [수학식 1]의 a는 광원에서 방출되는 광이 프리즘의 일면을 통과하고 금속박막에 반사되어 프리즘의 타면을 지나 집광렌즈까지 도달하는 거리를 의미한다.
프리즘(520)은 광원(510)이 일면에 입사되어 광원(510)을 굴절한다. 이때, 프리즘(520)은 이등변 삼각형으로 형성하는 것이 바람직하며, 편의상 수직으로 입사하지 않는 광의 프리즘 표면에서의 굴절 현상은 표시 하지 않았다.
금속박막(530)은 프리즘에 표면 플라즈몬을 여기시키는 각도로 입사한 광을 반사시킨다. 이때, 금속박막(530)에 반사되는 빛의 반사율 변화나 입사각에 대한 공명각의 변화를 측정하여 검지물질을 감별할 수 있다.
집광렌즈(540)는 금속박막(530)에서 프리즘(520)의 타면으로 반사되어 광을 집광한다.
수광소자(550)는 집광렌즈(540)를 통해 집광된 광을 검출한다.
상기와 같은 구성으로 이루어진 제1 실시 예의 광 센서는 [수학식1]에 입각 하여 형성한다.
도 6에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 제2 실시 예는 광원(610), 회전거울(660), 프리즘(620), 금속박막(630), 집광렌즈(640), 및 수광소자(650)로 구성한다.
광원(610)은 특정 파장의 광을 프리즘(620)으로 방출한다.
회전거울(660)은 광원(610)을 프리즘(620)에 입사시키기 위해 광을 프리즘(620) 방향으로 반사시키도록 회전한다. 여기서, 회전거울(660)은 본 발명의 실시 예와 같이, 일체형으로 이루어져 회전이 가능한 거울을 구성할 수 있으나, 이에 한정하지 아니하고 일반적인 거울과 회전장치를 결합하여 구성할 수 있다.
이때, 프리즘(520)에 입사하는 입사각(θ)의 편차는 구성하는 광학계가 [수학식 1]을 만족하며 표면 플라즈몬 공명각을 중심으로 -6° 내지 6°범위인 것을 특징으로 하나, 이 편차는 집광렌즈의 초점거리, 집광 렌즈의 구경, 프리즘의 크기에 따라 다소 차이가 있을 수 있으며,
본 발명에 따른 제 2실시 예의 경우 [수학식 1]의 a는 광원에서 집광렌즈까지의 거리가 아닌 광원이 반사되는 거울면에서 프리즘의 일면을 통과하고 금속박막에 반사되어 프리즘의 타면을 지나 집광 렌즈까지의 도달하는 거리를 의미한다.
프리즘(620)은 광원이 일면에 입사되어 광원을 굴절한다. 프리즘(620)은 이등변 삼각형으로 형성하는 것이 바람직하며, 편의상 수직으로 입사하지 않는 광의 프리즘 표면에서의 굴절 현상은 표시 하지 않았다.
금속박막(630)은 프리즘(620)에 표면 플라즈몬을 여기시키는 각도로 입사한 광을 반사시킨다. 이때, 금속박막(630)에 반사되는 빛의 반사율 변화나 입사각에 대한 공명각의 변화를 측정하여 검지물질을 감별할 수 있다.
집광렌즈(640)는 금속박막(630)에서 프리즘(620)의 타면으로 반사되어 광을 집광한다.
수광소자(650)는 집광렌즈(640)를 통해 집광된 광을 검출한다.
상기와 같은 구성으로 이루어진 제2 실시 예의 광 센서는 [수학식1]에 입각 하여 형성하되, a 는 광원이 반사되는 거울면에서 집광 렌즈까지의 거리이다.
도 7에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 제3 실시 예는 광원(710), 프리즘(720), 금속박막(730), 집광렌즈(740), 및 배열형 수광소자(750)로 구성한다.
광원(710)은 특정 파장의 광을 프리즘(720)으로 방출하되, 수렴 또는 발산한다. 이때, 프리즘(520)에 입사하는 입사각(θ)의 편차는 구성하는 광학계가 [수학식 1]을 만족하며 표면 플라즈몬 공명각을 중심으로 -6° 내지 6°범위인 것을 특징으로 하나, 이 편차는 집광렌즈의 초점거리, 집광 렌즈의 구경, 프리즘의 크기에 따라 다소 차이가 있을 수 있다.
본 발명에 따른 제3 실시 예의 경우 제1 실시 예와 같이 [수학식 1]의 a는 광원에서 방출되는 광이 프리즘의 일면을 통과하고 금속박막에 반사되어 프리즘의 타면을 지나 집광렌즈까지 도달하는 거리를 의미한다.
프리즘(720)은 광원이 일면에 입사되어 광원을 굴절한다. 프리즘(720)은 이등변 삼각형으로 형성하는 것이 바람직하며, 편의상 수직으로 입사하지 않는 광의 프리즘 표면에서의 굴절 현상은 표시 하지 않았다.
금속박막(730)은 프리즘(720)에 표면 플라즈몬을 여기시키는 각도로 입사한 광을 반사시킨다. 이때, 금속박막(730)에 반사되는 빛의 반사율 변화나 입사각에 대한 공명각의 변화를 측정하여 검지물질을 감별할 수 있다.
집광렌즈(740)는 금속박막(730)에서 프리즘(720)의 타면으로 반사되어 광을 집광한다.
배열형 수광소자(750)는 집광렌즈(740)를 통해 집광된 광을 검출한다. 이때, 배열형 수광소자(750)는 한꺼번에 들어오는 2차원 형태의 데이터를 얻을 수 있다.
상기와 같은 구성으로 이루어진 제3 실시 예의 광 센서는 [수학식1]에 입각 하여 형성한다.
실시 예 1 내지 실시 예 3과 같이 구성된 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 센서는 광원이 방출한 광이 프리즘의 일면을 지나 금속박막에 반사되어 프리즘의 타면으로 반사되어 집광렌즈를 지나 수광소자에 도달 할 때, 리셉터에 묻은 감지물질에 따라 금속박막에서 반사되는 빛의 반사율 변화나 입사각에 대한 공명각의 변화를 측정하여 검지물질을 감별한다.
상기 제 1 내지 제3 실시 예와 달리 집광렌즈를 수광소자측이 아닌 광원측에 위치하며, 동시에 [수학식 1]을 만족 하도록 하는 광 센서를 구성 할 수 있으나, 이 경우에는 광원의 크기 보다 큰 형상이 수광소자면에 나타나게 되므로 제1 내지 제3 실시 예와 달리 좋은 결과를 얻지 못할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 따라서 본 발명의 권리 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 청구범위뿐만 아니라, 이와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
장치를 조립하는 과정에서 표면 플라즈몬 공명각을 포함하는 일정한 범위의 입사각에 대하여 반사율을 측정하고 나서 입사각을 고정시켜야 하는데, 입사광의 입사각도가 변할 때마다 수광 소자의 위치가 바뀌어야 하므로, 측정된 입사각에 대한 반사율 곡선으로부터 원하는 입사각을 재현하는 실제 장치를 조립하는데 있어서 입사광을 원하는 일정한 입사 각도로 만들어 주기는 어려운 단점이 있었다.
이러한 면에서, 사각에 대한 반사율 곡선을 측정하고, 고정시키고자 하는 특정 입사각을 찾아서 광학계를 고정시키는 과정을 통해 입사각의 변화에 따른 수광소자의 이동이 필요하지 않아 입사각에 대한 반사율 곡선의 측정을 용이하게 하고, 고정시키고자 하는 특정 입사각을 찾아 광학계를 고정시키는 과정을 용이하게 하며, 입사각을 변화 시키더라도 수광부의 수광소자의 위치를 이동할 필요가 없도록 하여 측정장치의 활용성을 높인다는 효과가 있다.
이와 같이, 측정장치의 활용을 높여 플라즈몬 공명 측정 방식을 가지고 있는 다양한 응용성 활용 장치의 제약을 없앰으로써, 다양한 분야에 활용하여 기술 발전에 이바지 할 수 있는 측면에서 필요한 발명이라고 할 수 있습니다.

Claims (6)

  1. 특정 파장의 광을 방출하는 광원과;
    상기 광원의 입사각을 조절할 수 있는 회전장치와;
    상기 광원이 일면에 입사하여 광을 굴절하는 프리즘과;
    상기 프리즘에 표면 플라즈몬을 여기시키는 각도로 입사한 광을 반사시키기 위한 금속박막과;
    상기 금속박막에서 프리즘의 타면으로 반사되는 광을 집광하는 집광렌즈; 및
    상기 집광렌즈를 통해 집광된 광을 검출하는 수광소자를 포함하여 구성하되,
    Figure PCTKR2009006650-appb-I000004
    에 입각하여 형성하는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 센서.
    (단, a : 광원에서 집광렌즈까지의 거리, b : 집광렌즈에서 수광소자까지의 거리, f : 집광렌즈의 초점거리)
  2. 특정 파장의 광을 방출하는 광원과;
    상기 광원을 프리즘에 입사시키기 위해 프리즘 방향으로 광을 반사시키는 회전 가능한 거울과;
    상기 광원이 일면에 입사하여 광을 굴절하는 프리즘과;
    상기 프리즘에 표면 플라즈몬을 여기시키는 각도로 입사한 광을 반사시키는 금속박막과;
    상기 금속박막에서 프리즘의 타면으로 반사되는 광을 집광하는 집광렌즈; 및
    상기 금속박막에서 프리즘의 타면으로 반사되는 광을 검출하여 측정광으로 사용하기 위한 수광소자를 포함하여 구성하되,
    Figure PCTKR2009006650-appb-I000005
    에 입각하여 형성하는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 센서.
    (단, a : 광원이 반사되는 거울면에서 집광렌즈까지의 거리, b : 집광렌즈에서 수광소자까지의 거리, f : 집광렌즈의 초점거리)
  3. 광을 방출하되 수렴 또는 발산하는 광원과;
    상기 광원이 일면에 입사하여 광을 굴절하는 프리즘과;
    상기 프리즘에 표면 플라즈몬을 여기시키는 각도로 입사한 광을 반사시키는 금속박막과;
    상기 금속박막에서 프리즘의 타면으로 반사되는 광을 집광하는 집광렌즈; 및
    상기 금속박막에서 프리즘의 타면으로 반사되는 광을 검출하는 배열형 수광소자를 포함하여 구성하되,
    Figure PCTKR2009006650-appb-I000006
    에 입각하여 형성하는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 센서.
    (단, a : 광원에서 집광렌즈까지의 거리, b : 집광렌즈에서 배열형 수광소자까지의 거리, f : 집광렌즈의 초점거리)
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프리즘으로 입사하는 광원의 입사각(θ)의 표면 플라즈몬 공명각을 중심으로 -6° 내지 6°범위인 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광센서.
  5. 제1항 내지 제 3항에 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프리즘의 동일한 두개의 각 중 어느 하나의 각과 입사각(θ)은 동일한 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 센서.
  6. 제1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프리즘은 이등변 삼각형을 이루는 것을 특징으로 하는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 센서.
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