WO2015141873A1 - Raman analysis method and device for high-speed quantitative analysis of wide-area sample - Google Patents

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정대홍
이윤식
이호영
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Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and method for analyzing a sample labeled with a Raman signal, and in particular, capable of high-speed quantitative analysis of a plurality of search targets present in a wide range of samples, while reducing the size and cost of equipment.
  • Raman analysis apparatus and method capable of high-speed quantitative analysis of a plurality of search targets present in a wide range of samples, while reducing the size and cost of equipment.
  • Raman analyzer is a device that analyzes the physical properties of the sample represented by the Raman spectrum using a spectrometer that measures the Raman spectrum, and is composed of a light source and a spectrometer that mainly use a laser to generate the Raman spectrum.
  • lasers to be used lasers having various wavelengths ranging from ultraviolet rays to infrared wavelength ranges are commonly used. In the case of a biological sample, lasers having energy in the visible and near infrared ranges are mainly used. Examples include the 514.5 nm line of argon laser, the 647 nm line of krypton laser, and the 532 nm line, 660 nm line and 785 nm line of solid state lasers such as YAG.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a conventional Raman analysis device
  • Figure 2 is an illustration of a conventional Raman analysis method.
  • the light source starting from the laser light source 10 includes a spatial filter 11, a mirror 12, a mirror, and a dichroic mirror 13. It arrives at the X-axis mirror 14 through the optical path.
  • Conventional Raman analyzers arrange an X-axis mirror (14: X-axis mirror) and a Y-axis mirror (15: Y-axis mirror) moving on the X axis and the Y axis perpendicular thereto, and finely respectively
  • X-axis mirror 14: X-axis mirror
  • Y-axis mirror 15: Y-axis mirror
  • the X-axis mirror 14 and the Y-axis mirror 15 can be finely adjusted through the voice coil motors 16 and 17 (Voice Coil Motor) and the drivers 18 and 19 controlling their driving.
  • voice coil motors 16 and 17 Vehicle Coil Motor
  • the light source incident through the objective lens 20 is scattered by colliding with the sample 21. Most of the light sources are scattered with the same energy as incident light, but some of them are inelastic scattered by exchanging energy with the sample 21 to a unique degree. .
  • the wavelengths of Stokes scattering in which the light source loses energy and the Anti-Stokes scattering in which the light source obtains energy appear in a unique form, and the spectrometer 50 has an edge.
  • An edge filter 28 can be collected (typically Stokes scattering) and displayed as a uniquely shaped spectrum.
  • the spot-specific spectrum image is repeatedly photographed by the camera 40 and analyzed by the computer 30 to determine the characteristics of the sample 21.
  • the above-described configuration is divided into a configuration of the X-axis mirror 14 and the Y-axis mirror 15, and then finely adjusted to each one (usually referred to as galvo mirror), expensive accessories that require a high degree of precision Since it must be mounted in plural, the cost increases, and when the measurement range is widened, there is a problem in that the quality of an area far from the center is degraded by optical distortion, and thus there is a limit in the measurement area. In addition, since the laser light must be reflected to the X-axis mirror 14 and the Y-axis mirror 15 in common, the width of the measurable sample is limited by the reflective physical reflection area limitation. It is a situation that does not correspond to the area required for a wide range of samples, such as a sample or a semiconductor wafer.
  • FIG. 2 schematically illustrates a method of collecting and analyzing information of the Raman analysis apparatus illustrated in FIG. 1, in which the Raman analysis apparatus finely adjusts the X-axis mirror 14 and the Y-axis mirror 15 for each spot 22.
  • the Raman map (36: Raman Map) including the predetermined spot information and the Raman information collected by the spectrometer 50 by the spot 22 to move the optical path 25. Correspond and analyze.
  • the Raman analysis apparatus of FIG. 1 used in the previous example is used for crack inspection of a semiconductor wafer, foreign material inspection, analysis of a fine sample, and the like, and is mainly used for industrial equipment or research / TECH because of its large size and high cost.
  • the Raman analysis apparatus also includes a separate X-axis mirror and Y-axis mirrors 14a and 14b so that the scan area is narrow and the cost of the driving unit for precision driving is increased, so that the small-scale industrial or medical analysis may be used. It is difficult to spread.
  • the conventional Raman analysis apparatus and method for analysis or medical analysis for small industries has limitations in performance, size, and cost, and this problem is particularly noticeable in the use of medical analysis.
  • the diagnosis of a disease using a single biomarker requires a large amount of samples and the diagnosis rate is very slow, which increases the cost of diagnosis and makes a large number of diagnosis difficult.
  • a candidate group of diagnostic reagents in order to search for a candidate group of diagnostic reagents, a plurality of candidates should be examined. However, when a single candidate is tested, a long search time is required to find an optimal candidate.
  • nanospectrometry has been used to search for diagnostic reagents and diagnose diseases using multiple markers.
  • the most popular technology is to obtain independent signals for a plurality of biomarkers using multiple labeled probes and analyze them at once to detect multiple targets simultaneously. Is being reported.
  • the signal read-out method applied to the multi-diagnosis is not a multi-spotting technique in which a single sample is divided into multiple spots and analyzed so that the amount of the sample increases according to a test item.
  • a nanoquantum probe (nanoprobe) technology for producing a probe using silver nanoparticles to increase the sensitivity of the signal to derive quantitative analysis results
  • a multi-dimensional labeling technology can be used to label a large amount of different materials at the same time.
  • FACS Fluorescense-Assisted Cell Sorter
  • the conventional Raman analysis apparatus repeatedly acquires a spot or a line image of a certain size and analyzes the obtained result corresponding to the Raman map, so that it may be efficient in a sample sensitive to location information or Raman information, but the biomarker There are limitations when it is necessary to quickly and precisely quantitate a large number of trace biomarkers present in a wide range of samples for analysis.
  • the Raman throughout the sample rather than the accuracy of the Raman information according to the location of the sample. Because the probabilistic distribution of information and the coefficient information used therein have a much greater impact on the accuracy of analysis, it is important to collect continuous results through high-speed measurements in a uniform measurement environment.
  • An object of the present invention for improving the above-described problem is different from the conventional spot unit analysis, which is generated by the camera operation by reading out the continuous spectral information for one or more sequential scan intervals during one camera operation period. It is to provide a Raman analysis apparatus and method to improve the scanning speed while reducing the noise.
  • Another object of the embodiment of the present invention for improving the above problems is to configure a single flip mirror unit in consideration of the characteristics of the continuous sequential scan method and to move the entire flip mirror unit about the other axis perpendicular to the variable one axis, the accuracy of the analysis It is to provide a Raman analysis apparatus and method to reduce the size and cost of the shaft drive without deterioration.
  • Another object of the present invention for improving the above-mentioned problem is to derive the results of analysis of the continuous spectral information for the sequential scan interval to the Raman map including the preset distribution and coefficient information than the exact position and absolute spectral information of the sample It is to provide a Raman analysis apparatus and method for optimizing speed and quantitative analysis.
  • Another object of the embodiment of the present invention for improving the above-mentioned problem is to minimize the etendue of the light source by moving the stage seating the sample through the auto focusing sensor facing the objective lens and correcting the change in the sample height according to the scan.
  • One Raman analysis apparatus and method are provided.
  • Raman analysis device for high-speed quantitative analysis of a light domain sample is a Raman analysis device for collectively collecting and analyzing a plurality of types of search target information present in the sample, from a laser light source
  • a flip mirror unit for reflecting the incident light provided and varying a reflection path with respect to one axis at a speed in a preset range, and positioning the flip mirror unit with respect to another axis perpendicular to the variable axis of the flip mirror unit.
  • An actuator unit configured to vary and synchronize the operation of the flip mirror unit at a slow speed, and a scan to control the flip mirror unit and the actuator unit so that incident light provided to the sample through the objective lens continuously scans at least a portion of the inspection region sequentially
  • the incident light is inspected by the control unit and the scan control unit
  • One or more sequential scans are provided by receiving a reflected light mixed with Raman signals generated by the plurality of types of search targets generated by sequentially scanning the inverse through a preset optical path, and outputting spectroscopic information about the reflected light through a camera. It includes a spectroscope for outputting continuous spectroscopic information on the interval during one camera operation period.
  • the search object may be an industrial product or a medical biomarker.
  • the actuator unit preferably includes a linear controllable universal drive structure including a small motor, piezo actuator, and ultrasonic actuator.
  • the flip mirror unit preferably includes a voice coil motor or a MEMS driver.
  • the scan control unit may further include a correction unit configured to move the stage on which the sample is seated in a vertical direction with respect to the surface of the objective lens, and to correct a change in the sample height according to the scan.
  • the spectrometer preferably includes a CCD having the highest quantum efficiency between 500 nanometers and 600 nanometers, and may be selected in different wavelength ranges according to the sample purpose.
  • the Raman assay device may be tabletop and integral.
  • the sample may be one square millimeter area or more in which a plurality of biomarkers are mixed with blood.
  • Raman analysis method for high-speed quantitative analysis of a light domain sample is a measurement method of the Raman analysis device for collectively collecting and analyzing a plurality of types of search target information present in the sample, And analyzing the continuous spectral information in the form of a Raman map including preset distribution and coefficient information to derive an analysis result.
  • the Raman analysis method is a step of performing a multi-quantitative diagnosis to simultaneously analyze the possibility of individual diseases for a plurality of diseases based on the information on the Raman map through the multi-dimensional multi-label analysis and measurement when the search target is a biomarker It may further include.
  • Raman analysis apparatus and method for quantitatively analyzing a wide-area sample unlike the conventional spot unit analysis, continuous spectral information for one or more sequential scan interval read-out during one camera operation period As a result, scan speed is improved while reducing noise generated by camera operation, thereby greatly improving the speed of multi-dimensional multi-marker analysis.
  • Raman analysis apparatus and method for quantitatively analyzing a wide-area sample in consideration of the characteristics of the continuous sequential scan method constitutes a single flip mirror unit and the entire flip mirror unit with respect to the other axis perpendicular to the variable one axis By moving, it is possible to reduce the size and cost of the axis drive without sacrificing the accuracy of analysis, thereby increasing the efficiency of the Raman analysis device configuration.
  • the Raman analysis apparatus and method for quantitatively analyzing a wide-area sample analyzes the continuous spectral information of a sequential scan interval with a Raman map including preset distribution and coefficient information to derive an analysis result. Optimized for speed and quantitative analysis rather than accurate location and absolute spectral information, it is very well suited for the interpretation of multiple disease diagnosis or analysis of multiple diagnostic reagents.
  • the Raman analysis apparatus and method for quantitatively analyzing a wide-area sample moves a stage on which a sample is seated through an auto focusing sensor to face an objective lens and corrects a change in sample height according to a scan. By minimizing etendue, Raman image analysis efficiency is further increased.
  • FIG. 1 is a block diagram of a conventional Raman analysis device.
  • Figure 2 is an illustration of a conventional Raman analysis method.
  • Figure 3 is a block diagram of a Raman analysis device for quantitative analysis of a plurality of biological markers in a sample according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 4 is an illustration of a Raman analysis method for quantitatively analyzing a plurality of biological markers in a sample according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a view illustrating an operation of a flip mirror unit according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is an exemplary view of a sample image scan according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is an exemplary diagram of a beam scan pattern according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a flow chart of a Raman analysis method for quantitatively analyzing a plurality of biological markers in a sample according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a block diagram of a conventional Raman analysis device.
  • FIG. 10 is an exemplary view of a sample image and spectrum according to an embodiment of the present invention.
  • the Raman analysis apparatus for high-speed quantitative analysis of a wide-area sample targets a crack or a foreign substance present in a sample for a semiconductor wafer or specifies a micro sample such as a nanomaterial.
  • the present invention can be applied to the analysis of industrial products for the detection of substances, the analysis of medical biomarkers, etc.
  • the description of the present invention describes an embodiment for the analysis of biomarkers that are difficult to apply among these target samples and have a large sample size. Among them, a case where a plurality of biological markers present in a sample are used as an analysis target is described as an example. Raman analysis apparatus and method for the analysis of a number of biological markers in the sample can of course be utilized in the analysis of industrial products.
  • FIG. 3 is a block diagram of a Raman analysis device for quantitatively analyzing a plurality of biological markers in a sample according to an embodiment of the present invention.
  • the Raman analysis apparatus is a Raman analysis apparatus for collectively analyzing and analyzing a plurality of kinds of trace biomarker information present in the sample 21.
  • the Raman analysis apparatus reflects incident light provided from the laser light source 10 and is provided with respect to one axis.
  • the flip mirror unit 81 positions the flip mirror unit 81 to change the reflection path at a speed within a preset range, and the flip mirror unit 81 is positioned on the other axis perpendicular to the variable axis of the flip mirror unit 81.
  • the objective lens 20 is controlled by controlling the actuator unit 60, the flip mirror unit 81, and the actuator unit 60, which are synchronized with the operation of the flip mirror unit 81 at a slower speed than the variable speed.
  • Incident light sequentially scans the inspection area by the scan control units 65 and 75 and the scan control unit 65 and 75 so that the incident light provided to the sample 21 sequentially scans at least some regions of the inspection area.
  • Ha While receiving the reflected light mixed with the Raman signal generated by the plurality of biological markers generated through a predetermined optical path and outputs the spectroscopic information on the reflected light through the camera 40, at least one sequential scan interval set for each sample It includes a spectroscope 50 for outputting the continuous spectroscopic information for one camera operation period.
  • the flip mirror unit 81 is illustrated as a quadrangle including the flip mirror 80 for convenience of illustration and identification, the flip mirror 80 and the variable axis and the other axis or the flip mirror 80 are illustrated. And a drive configuration (70, 75) of the variable shaft and a drive configuration (60, 65) of the other shaft, etc. can be configured to be variable and easy to move.
  • the incident light from the laser light source 10 in the Raman analysis apparatus includes a spatial filter 11, one or more mirrors 12 and 14, and a dichroic mirror 13. Arrive at the flip-mirror part 81 via the optical path comprised by.
  • the Raman analysis apparatus moves the optical path in the variable axis direction at a high speed through the drive unit 70 of the variable axis of the flip mirror unit 81 disposed on the optical path, and the other axis direction is moved at a slower speed than this. .
  • the Raman analysis apparatus finely adjusts this operation through the scan controllers 65 and 75 so that the point where the light source incident through the objective lens 20 meets the sample 21 on the stage 29 has a continuous path. Can be configured.
  • Fine adjustment of the variable axis may be performed by a voice coil motor (70) or a MEMS (MEMS) driver such as an actuator and a driver for controlling the driving thereof. 75), high-speed fine adjustment is possible. This may use a commercial Galvo Mirror.
  • MEMS MEMS
  • the drive unit is a MEMS oscillation at a fixed frequency, it is difficult to adjust the absolute position, but it is suitable for the scan drive and can also integrate the mirror, thereby greatly reducing the size and cost.
  • the adjustment of the other axis may use a relatively inexpensive and easy linear control motor such as a small motor 60, a piezo actuator or an ultrasonic actuator, and a driver for controlling the driving thereof. 65) can be adjusted. This lowers costs and reduces control burden.
  • the light source incident through the objective lens 20 is scattered by striking the sample 21, most of which is scattered with the same energy as the incident light, but some are inelastic scattering by exchanging energy with the sample to a unique degree .
  • the wavelengths of Stokes scattering in which the sample 21 loses energy and Anti-Stokes scattering in which the sample obtains energy appear in a unique form according to the physical properties of the sample 21. 50 may collect (typically Stokes scatter) through an edge filter 28 and display it as a uniquely shaped spectrum.
  • continuous spectroscopic information on one or more sequential scan sections set for each sample 21 may be output during one camera 40 operation period and analyzed by the computer 30 to determine characteristics of the sample 21. .
  • the individual operation of the camera 40 refers to a series of processes of camera initialization (image memory clean, automatic exposure adjustment, white balance adjustment, etc.), light collection, and output format processing of the collected image according to the camera shutter operation. .
  • the spectroscope 50 includes Receives the reflected light mixed with the Raman signal by the biomarker through the preset optical path and outputs the spectral information of the reflected light through the camera 40, one or more sequential scan periods 22, 23 set for each sample 21 Continuous spectral information 24 is output during one camera operation period, and the analysis tool 35 analyzes the Raman map 37 including the distribution and coefficient information on the sample to derive the analysis result. do.
  • the conventional Raman analysis apparatus repeatedly acquires an image for each spot as described above, and analyzes it in correspondence with the Raman map including the information for each spot, it may be efficient in a sample sensitive to the location information for each spot and the resulting Raman information. It is not suitable for the Raman analysis method which enables the quantitative analysis of a plurality of trace biomarkers present in the above-mentioned wide range of samples in an early time.
  • the Raman throughout the sample rather than the accuracy of the Raman information according to the location of the sample. This is because the probabilistic distribution of information and the coefficient information used therein have a much greater influence on the precision of analysis.
  • the conventional Raman analysis apparatus measures the spot in units, the precision is lower than that of the continuous scan due to the noise generated during each operation by the spot-specific operation of the camera.
  • the conventional Raman analysis apparatus uses a so-called "line scan" scanning scheme or the above-mentioned multi-spotting scheme, which does not perform a sequential scan for a continuous region as in the present invention, but at least a portion of the region.
  • the discontinuous scanning method is performed on the A, thereby increasing the noise generated during shooting.
  • the Raman analysis apparatus reads continuous spectroscopic information on one or more sequential scan sections (whole area or a predetermined divided area) during one camera operation period differently from conventional spot unit analysis. -out improves the speed and quality of high-speed multi-dimensional multi-marker analysis by reducing scan noise while initializing the camera operation every time and improving scan speed.
  • the Raman analysis apparatus since the Raman analysis apparatus according to an embodiment of the present invention derives an analysis result by analyzing the continuous spectral information on the sequential scan interval with the Raman map 37 including distribution and coefficient information, the exact position of the sample 21. (22) and for the analysis of multiple disease diagnosis or analysis of multiple diagnostic reagents that require quantitative analysis rather than absolute spectroscopic information.
  • the Raman analysis apparatus according to an embodiment of the present invention, the movable range of the flip mirror unit 81 and the actuator unit (for example, the small motor 60, the piezo actuator, the ultrasonic actuator) for moving it to another axis Since they do not affect each other (the mirror part of the existing X and Y configuration is limited in consideration of the optical path of each moving range), it is possible to scan a large area sample so that it is easy to cope with samples larger than 1 square millimeter (mm). Can be.
  • the actuator unit for example, the small motor 60, the piezo actuator, the ultrasonic actuator
  • the actuator unit 60 may be configured as a general-purpose driving unit and a driver having a relatively inexpensive, easy linear control and proper control precision, such as a small motor, a piezo actuator, an ultrasonic actuator, and the like.
  • the scan controllers 65 and 75 move the stage 29 on which the sample 21 is seated in a vertical direction with respect to the surface of the objective lens 20, and correct the sample height change according to the scan ( Not shown) may be further included.
  • the scan controllers 65 and 75 may include an auto focus sensor to move the stage 29 on which the sample is placed to face the objective lens 20 to detect and correct a change in the sample height according to the scan. In this case, the etendue of the light source can be minimized, thereby further increasing the analysis efficiency of the Raman image.
  • the Raman analysis apparatus may be configured to further include not only Raman spectroscopy, but also additional configurations to analyze optical patterns such as fluorescent patterns to further improve the reliability of the results of multidimensional multiple analysis.
  • the spectroscope 50 considers a CCD (Charged Coupled Device) having the highest quantum efficiency (Quantum Efficiency) between 500 nanometers and 600 nanometers compared to other wavelength bands in the visible light region in consideration of the peak value of the Raman spectrum.
  • CCD Charged Device
  • quantum Efficiency Quantum Efficiency
  • different wavelength range can be used according to the conditions of a sample.
  • the Raman analysis apparatus is configured to drive and control the flip mirror 80 and the like compared to the case of using a conventional X, Y axis galvo mirror or adjusting the stage to the X, Y axis (60, 70, 65, 75) is very inexpensive and can be configured in a single configuration so that the size can be reduced and it can be configured to easily scan a large area compared to the case of adjusting the X and Y axes only by the mirror, and thus it is advantageous to miniaturize it into a table or an integrated type.
  • FIG 5 is a view illustrating an operation of the flip mirror unit 81 according to an embodiment of the present invention.
  • the scan portion of the illustrated Raman analysis apparatus quantitatively analyzes the continuous information reception instead of the spectral information reception in units of spots when generating the Raman map through the sample 21 to reduce noise and improve speed.
  • the inspection area can be extended while reducing the cost and size, allowing for high-speed quantitative analysis of a large number of trace biomarkers in a wide range of samples (21). It can be configured inexpensively.
  • the optical path 5 of the light source incident on the flip mirror unit 81 passes through the objective lens 20 through the rotational movement 71 of the variable axis of the flip-mirror 80 and the movement movement 61 of the other axis. 29 is set to continuously scan the entire inspection area sequentially on the sample 21.
  • the Raman analysis apparatus of the present invention configures the flip mirror units 80 and 81 as a single unit to reduce its volume, and the distribution information of the Raman information is more important due to the characteristics of multiple analysis. Even if the Y-axis 61 is slower than the X-axis 71 and the control precision is slightly lower than that of the X-axis 71, the same performance can be maintained for the characteristics and quantitative analysis of the continuous sequential scanning method of the present invention described above.
  • FIG. 6 is an exemplary view of a sample image scan according to an embodiment of the present invention.
  • the number of search targets exceeds the limit of one-dimensional labeling technology.
  • Labeling and searching operations in this multi-dimensional multiple labeling technique may label or search up to millions of candidate substances, so the reduction of the scan speed and noise in the sample image is very important.
  • the distribution or pattern of Raman information on the entire sample is more important in the analysis than the Raman information for each spot due to the characteristics of the multiple analysis.
  • the Raman analysis apparatus enables fast scan and precise pattern analysis of Raman information through a characteristic configuration that outputs continuous spectroscopic information on one or more sequential scan intervals during one camera operation period, thereby enabling multi-dimensional multiplexing.
  • the effectiveness is very high in the field of nano probes, diagnostic reagents and multiple diagnostics for performing marker analysis and measurement.
  • FIG. 10 is an exemplary view of a sample image and a spectrum according to an embodiment of the present invention.
  • the Raman analysis apparatus detects the label 1 in the sample by rapid scan through Raman analysis for multi-dimensional multi-marker analysis and measurement, so as to provide accurate Raman information. Pattern analysis is possible.
  • the Raman analysis apparatus detects the label 1 in the sample by rapid scan through Raman analysis for multi-dimensional multi-marker analysis and measurement, so as to provide accurate Raman information. Pattern analysis is possible.
  • the sample is about 0.5 mm * 0.5 mm sized sample, and the Raman map obtained by the point scan method while irradiating a laser light of 532 nm at 1.5 mW output is the image of Figure 10a.
  • the measurement time can be increased while maximizing the imaging function or minimizing the imaging function while sacrificing the measurement time according to the purpose while maintaining the high-efficiency signal collection capability of the confocal without missing a large-area sample. It can be minimized.
  • the scan controllers 65 and 75 of the Raman analysis apparatus are more preferable. Before performing the sequential scan, control to perform a pre-scan to quickly determine the position of the label (1) in the sample by a fluorescence and elastic scattered light scanning method rather than a Raman method and based on this signal generation unit By rescanning the bay, the S / N ratio can be maximized while reducing measurement time.
  • the Raman analysis apparatus creates a two-dimensional map (2D MAP) in a relatively less time-consuming manner rather than a Raman method to primarily identify only the position of the label 1 in the sample.
  • 2D MAP two-dimensional map
  • the Raman measurement is performed on the position 1 where the presence of the label is confirmed according to the pre-scan, and the other part 2 may be skipped.
  • Examples of such pre-scanning methods include a method of directly checking linear light using a laser, a method of obtaining an image with a confocal microscope, a method of obtaining a fluorescence image by applying fluorescence to a label, or a method of obtaining a 2D image through vision, etc. It is possible to apply various methods which are faster than Raman method.
  • the cover 2 is substantially unmarked or not covered by the pre-scan, it may be recognized as noise even if the actual Raman measurement is applied.
  • the application of the method allows for high-speed measurements without degrading the quality.
  • FIG. 7 is an exemplary view of a beam scan pattern according to an embodiment of the present invention.
  • the Raman analysis apparatus scans an image of a sample while moving one of the flip mirror units 81 by controlling one axis at a lower speed than the other axis.
  • this scan pattern may vary.
  • the Raman analysis apparatus may use a laser having a wavelength range of 500-550 nm optimized for the nano probes as the laser light source 10 when utilized in the analysis using the nano probes.
  • a near infrared ray laser may be further configured to utilize infrared spectroscopy in the Raman analyzer.
  • the Raman analysis apparatus may be configured to modularize each configuration shown in FIG. 3 so as not to require alignment between the modules, or to easily upgrade.
  • the Raman analysis device may be configured such that the edge filter 28 is suitable for Stokes scattering, or the laser light source 10 can be configured to replace the laser easily.
  • FIG. 8 is a flow chart of a Raman analysis method for quantitatively analyzing a plurality of biological markers in a sample according to an embodiment of the present invention.
  • the flip-mirror unit 81 of the Raman analysis apparatus reflects incident light provided from the laser light source 10 and varies the reflection path on one axis at a speed in a predetermined range.
  • the actuator unit 60 of the Raman analysis device is variable to the flip mirror unit 81 to position the flip mirror unit 81 on the other axis perpendicular to the variable axis of the flip mirror unit 81
  • the control unit 65 and 75 of the Raman analysis apparatus are configured to synchronize the flip mirror unit 81 with the operation of the flip mirror unit 81 at a slower speed than that of the flip mirror unit 81 and the actuator unit 60.
  • the scan control unit 65,75 While the incident light is sequentially scanned the Raman signal generated by the plurality of types of biomarkers generated by scanning the inspection area receives the reflected light through a predetermined optical path and outputs the spectroscopic information on the reflected light through the camera 40, And outputting continuous spectroscopic information on one or more sequential scan sections set for each sample during one camera operation period (S40).
  • the Raman analysis method is a Raman analysis method of a Raman analysis device for collectively collecting and analyzing a plurality of types of trace biomarker information present in a sample, wherein the Raman analysis method includes the Raman analysis including distribution and coefficient information. Analyzing in the form of a map to derive the analysis results.
  • the step of deriving the analysis result may be to search for a candidate group of diagnostic reagents based on the multi-dimensional labeling technology and derive the analysis result.
  • the Raman analysis method may further include performing a multi-quantitative diagnosis of simultaneously analyzing individual cases of multiple diseases through multi-dimensional multiple marker analysis and measurement based on the information on the Raman map.
  • the Raman analysis apparatus and method for analyzing a plurality of biomarkers present in a sample as an object of analysis are described as a target for searching for cracks or foreign substances present in a sample for a semiconductor wafer or nanomaterials. It can be used in the analysis of various industrial products, such as to search for a specific material of a fine sample, such as, etc., and is not limited to the apparatus and method for the analysis of the biomarker as in the embodiment, and the present invention Various modifications can be made by those skilled in the art without departing from the gist of the invention.

Abstract

The present invention relates to a Raman analysis method and device for high-speed quantitative analysis of a wide-area sample which enable high-speed quantitative analysis of a plurality of search targets existing in a wide-area sample while reducing the size and cost of equipment. Unlike the conventional spot-unit-based analysis, the present invention has such effects as highly improving the speed of multidimensional multiple marker analysis by reading-out continuous spectrum information on one or more consecutive scanning intervals during one camera operation period, thus reducing the noise created by the camera operation and enhancing the scanning speed.

Description

광영역 시료를 고속 정량 분석하는 라만 분석 방법 및 장치Raman analysis method and apparatus for high speed quantitative analysis of wide range samples
본 발명은 라만 신호가 표지된 시료의 분석 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 광범위 시료에 존재하는 다수의 검색 대상을 고속 정량 분석할 수 있으면서도 장비의 크기와 비용을 줄인 시료 내 검색 대상을 정량 분석하는 라만 분석 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and method for analyzing a sample labeled with a Raman signal, and in particular, capable of high-speed quantitative analysis of a plurality of search targets present in a wide range of samples, while reducing the size and cost of equipment. Raman analysis apparatus and method.
라만 분석 장치는 라만 스펙트럼을 측정하는 분광계를 이용하여 라만 스펙트럼이 나타내는 시료의 물성 특징을 분석하는 장치로서, 라만 스펙트럼을 생성하기 위해 레이저를 주로 사용하는 광원과 분광계를 기본으로 구성된다.Raman analyzer is a device that analyzes the physical properties of the sample represented by the Raman spectrum using a spectrometer that measures the Raman spectrum, and is composed of a light source and a spectrometer that mainly use a laser to generate the Raman spectrum.
사용되는 레이저로서는 자외선에서 적외선 파장 영역에 이르는 다양한 파장의 레이저가 상용되고 있으며, 생체 시료를 대상으로 하는 경우에는 주로 가시광선 및 근 적외선 영역의 에너지를 갖는 레이저를 많이 사용한다. 이에는 아르곤 레이저의 514.5nm 라인, 크립톤 레이저의 647nm 라인 및 YAG 등 고체 레이저의 532nm 라인과 660nm 라인과 785nm 라인 등이 그 예이다.As lasers to be used, lasers having various wavelengths ranging from ultraviolet rays to infrared wavelength ranges are commonly used. In the case of a biological sample, lasers having energy in the visible and near infrared ranges are mainly used. Examples include the 514.5 nm line of argon laser, the 647 nm line of krypton laser, and the 532 nm line, 660 nm line and 785 nm line of solid state lasers such as YAG.
분광계로는 레일리 산란 등의 미광(謎光)을 충분히 제거할 필요가 있어서 더블 모노크로메이터를 2개 및 3개를 사용하는 방법이 사용되어 왔는데, 최근에는 우수한 광 특성을 갖는 간섭필터를 사용하고 1개의 모노크로메이터를 사용하는 것이 보편화되었다.As a spectrometer, it is necessary to sufficiently remove stray light such as Rayleigh scattering, and a method of using two or three double monochromators has been used. Recently, an interference filter having excellent optical characteristics is used. The use of one monochromator has become commonplace.
도 1은 종래의 라만 분석 장치의 구성도이며, 도 2는 종래의 라만 분석 방법의 예시도다.1 is a configuration diagram of a conventional Raman analysis device, Figure 2 is an illustration of a conventional Raman analysis method.
도 1을 참조하면, 종래의 라만 분석 장치에서 레이저 광원(10)으로부터 출발하는 광원은 공간 필터(11:Spatial Filter)와 미러(12:Mirror) 및 다이크로익 미러(13:Dichroic Mirror)로 구성되는 광 경로를 거쳐 X축 미러(14:X-axis Mirror)에 도착한다.Referring to FIG. 1, in the conventional Raman analysis apparatus, the light source starting from the laser light source 10 includes a spatial filter 11, a mirror 12, a mirror, and a dichroic mirror 13. It arrives at the X-axis mirror 14 through the optical path.
종래의 라만 분석 장치는 광 경로 상에 X축 및 이와 수직인 Y축으로 움직이는 X축 미러(14:X-axis Mirror) 및 Y축 미러(15:Y-axis Mirror)를 배치하고, 이들을 각각 미세 조정하여 대물렌즈(20)를 통해 광원이 입사되어 스테이지(29) 상의 시료(21)와 만나는 경로를 스팟(Spot)별로 미세하게 이동시킬 수 있다.Conventional Raman analyzers arrange an X-axis mirror (14: X-axis mirror) and a Y-axis mirror (15: Y-axis mirror) moving on the X axis and the Y axis perpendicular thereto, and finely respectively By adjusting the light source incident through the objective lens 20 to meet the sample 21 on the stage 29 may be finely moved for each spot (Spot).
X축 미러(14) 및 Y축 미러(15)는 보이스 코일 모터(16,17:Voice Coil Motor) 및 이의 구동을 제어하는 드라이버(18,19)를 통해 미세 조정이 가능하다.The X-axis mirror 14 and the Y-axis mirror 15 can be finely adjusted through the voice coil motors 16 and 17 (Voice Coil Motor) and the drivers 18 and 19 controlling their driving.
대물렌즈(20)를 통해 입사한 광원은 시료(21)와 부딪쳐 산란하게 되는데, 대부분은 입사광과 같은 에너지를 가지고 산란하나, 일부는 고유한 정도로 시료(21)와 에너지를 주고받아 비탄성 산란하게 된다.The light source incident through the objective lens 20 is scattered by colliding with the sample 21. Most of the light sources are scattered with the same energy as incident light, but some of them are inelastic scattered by exchanging energy with the sample 21 to a unique degree. .
이때, 시료(21)의 물성 특성에 따라 광원이 에너지를 잃는 스톡스(Stokes) 산란 및 광원이 에너지를 얻는 안티 스톡스(Anti-Stokes) 산란의 파장은 고유한 형태로 나타나며, 분광계(50)는 에지 필터(28:Edge Filter)를 통해 이를 수집(일반적으로 스톡스 산란)하여 고유한 형태의 스펙트럼으로 표시할 수 있다.In this case, the wavelengths of Stokes scattering in which the light source loses energy and the Anti-Stokes scattering in which the light source obtains energy appear in a unique form, and the spectrometer 50 has an edge. An edge filter 28 can be collected (typically Stokes scattering) and displayed as a uniquely shaped spectrum.
종래의 라만 분석 장치에서는 이러한 스팟 별 스펙트럼 영상을 카메라(40)로 반복적으로 촬영한 후 컴퓨터(30)로 분석하여 시료(21)의 특성을 파악한다.In the conventional Raman analysis apparatus, the spot-specific spectrum image is repeatedly photographed by the camera 40 and analyzed by the computer 30 to determine the characteristics of the sample 21.
상기와 같은 구성은 X축 미러(14)와 Y축 미러(15)를 분리 구성한 후 이를 각각 미세 조정하는 구성(통상, 이를 갈보 미러라 함)으로 인해, 그 정밀도가 고도로 요구되는 고가의 부속품이 복수로 탑재되어야만 하므로 비용이 높아지며, 측정 범위가 넓어질 경우 광학적 왜곡에 의해 중심에서 멀어지는 영역의 품질이 저하되는 문제가 있어 그 측정 영역에 한계가 존재한다. 또한, 레이저 광이 상기 X축 미러(14)와 Y축 미러(15)에 공통적으로 반사되어야 하므로 반사 가능한 물리적 반사 영역 제한에 의해 측정 가능한 시료의 넓이가 제한되는데, 예를 들어 다중 생체 표지자 분석을 위한 시료나 반도체 웨이퍼 등과 같이 광범위한 시료에 요구되는 넓이에 대응하지 못하고 있는 실정이다.The above-described configuration is divided into a configuration of the X-axis mirror 14 and the Y-axis mirror 15, and then finely adjusted to each one (usually referred to as galvo mirror), expensive accessories that require a high degree of precision Since it must be mounted in plural, the cost increases, and when the measurement range is widened, there is a problem in that the quality of an area far from the center is degraded by optical distortion, and thus there is a limit in the measurement area. In addition, since the laser light must be reflected to the X-axis mirror 14 and the Y-axis mirror 15 in common, the width of the measurable sample is limited by the reflective physical reflection area limitation. It is a situation that does not correspond to the area required for a wide range of samples, such as a sample or a semiconductor wafer.
물론, 미러 대신 스테이지가 움직이는 경우나 이들을 모두 지원하는 경우도 있으나 정밀도 및 속도가 낮고 비용이 높아지며 크기가 커져 경제성과 성능 모두 바람직하지 않다.Of course, there are cases where the stage moves instead of mirrors or supports both, but the precision and speed are low, the cost is high, and the size is large, so both economic and performance are undesirable.
도 2는 도 1에 도시한 라만 분석 장치의 정보의 수집 및 분석 방식을 개략적으로 도시한 것으로, 라만 분석 장치가 스팟(22)별로 X축 미러(14) 및 Y축 미러(15)를 미세 조정하여 광 경로(25)를 이동시키며 분광계(50)가 스팟(22)별로 수집(26)한 라만 정보를 분석 툴(35)이 기 설정된 스팟별 정보를 포함하는 라만 맵(36:Raman Map)과 대응시켜 분석한다.FIG. 2 schematically illustrates a method of collecting and analyzing information of the Raman analysis apparatus illustrated in FIG. 1, in which the Raman analysis apparatus finely adjusts the X-axis mirror 14 and the Y-axis mirror 15 for each spot 22. The Raman map (36: Raman Map) including the predetermined spot information and the Raman information collected by the spectrometer 50 by the spot 22 to move the optical path 25. Correspond and analyze.
앞서 예를 든 도 1의 라만 분석 장치는 반도체 웨이퍼의 크랙 검사나 이물 검사, 미세 시료의 분석 등에 사용되고 있는데, 그 규모가 크고 비용이 높으므로 주로 산업용 장비나 연구/학술용으로 활용된다. 하지만 부피가 크고 비용이 높으며 측정할 수 있는 시료의 면적이 작아 다양한 용도로 활용 가능하도록 부피와 비용을 줄이면서 측정 시료의 면적을 넓히는데 한계가 있다.The Raman analysis apparatus of FIG. 1 used in the previous example is used for crack inspection of a semiconductor wafer, foreign material inspection, analysis of a fine sample, and the like, and is mainly used for industrial equipment or research / academia because of its large size and high cost. However, there is a limit to increase the area of the sample to be measured while reducing the volume and cost so that it can be used for various purposes because of the large volume, high cost, and small area of the sample to be measured.
현재 라만 분석 장치 제조사로는 "JY-Horiba"(Horiba Jobin Yvon)사와 "Renishaw"사가 가장 널리 알려져 있다. 상기와 같은 유명 제조사의 라만 분석 장치의 경우 일정한 영역에 대한 스캔 검사가 가능하지만 검사 가능한 영역이 제한적이어서 충분한 영역의 시료를 빠르게 검사하기 어렵고, 해상도가 낮아 목표로 하는 품질을 얻기 어려울 뿐만 아니라 고가의 구동부로 구성되어 있어 비용이 높아 소규모 산업용이나 소규모 의료용 분석의 용도로 보급하기는 현실적으로 어렵다.Currently, "JY-Horiba" (Horiba Jobin Yvon) and "Renishaw" are the most widely known manufacturers of Raman analyzers. In the case of the Raman analysis apparatus of such a famous manufacturer, scan inspection of a certain area is possible, but the limited area that can be inspected makes it difficult to quickly inspect a sample of a sufficient area, and the low resolution makes it difficult to obtain a target quality and expensive. It is composed of a driving unit, which is high in cost, making it difficult to disseminate it for small industrial or small medical analysis.
도 9는 유럽 공개공보 EP1983332A1호에 공개된 "JY-Horiba"사의 라만 분석 장치의 구성도이다.9 is a configuration diagram of a Raman analysis apparatus of "JY-Horiba" published in European Patent Publication EP1983332A1.
도 9를 참조하면, 해당 라만 분석 장치 역시, X축 미러와 Y축 미러(14a, 14b)가 분리 구성되어있으므로 스캔 영역이 좁고, 정밀 구동을 위한 구동부의 비용이 높아져 소규모 산업이나 의료용 분석 용도로 보급하기 어렵다. Referring to FIG. 9, the Raman analysis apparatus also includes a separate X-axis mirror and Y- axis mirrors 14a and 14b so that the scan area is narrow and the cost of the driving unit for precision driving is increased, so that the small-scale industrial or medical analysis may be used. It is difficult to spread.
한편, "Renishaw"사의 경우 PCT 공개공보 WO 2009/093050A1호를 통해 소위 "라인스캔"이라는 기술로 스캔 속도와 정밀도를 개선하는 기술을 개시하고 있으나, 이는 소정 크기의 라인을 단위로 시료를 분석하되, 해당 시료가 적용된 스테이지가 X, Y축으로 이동하는 구성을 가진 것이다. 이러한 구성을 취함으로써 좀 더 넓은 면적의 시료를 측정할 수 있으나 이러한 구성은 스테이지가 광학 측정부와 연동하여 정밀하게 동작하여야 한다는 점에서 외부 환경에 민감하고, 스테이지 구동을 위한 비용이 높으며, 부피가 커지는 한계가 존재하므로 이 역시 소규모 산업이나 의료용 분석의 용도로 보급하기는 어려운 실정이다.In the meantime, "Renishaw" discloses a technique for improving scan speed and precision with a so-called "line scan" technique in PCT Publication WO 2009 / 093050A1. In this case, the stage to which the sample is applied moves in the X and Y axes. By taking this configuration, it is possible to measure a larger area of the sample, but this configuration is sensitive to the external environment in that the stage must be operated in precise connection with the optical measuring unit, and the cost for driving the stage is high and bulky. Because of the growing limitations, it is also difficult to disseminate them for use in small industries or medical analysis.
이와 같이 종래의 소규모 산업을 위한 분석이나 의료용 분석을 위한 라만 분석 장치 및 방법은 성능과 크기 및 비용에서 보급하는데 한계가 있는데, 특히 의료용 분석의 용도에서는 이러한 문제점이 두드러진다.As such, the conventional Raman analysis apparatus and method for analysis or medical analysis for small industries has limitations in performance, size, and cost, and this problem is particularly noticeable in the use of medical analysis.
의료용 분석의 예로서, 단일의 생체 표지자를 이용한 질병의 진단은 다량의 시료가 필요하며 그 진단 속도가 매우 느려 진단 비용이 상승하고 많은 수의 진단이 어렵다. 또한, 진단 시약의 후보군을 탐색하기 위해서는 다수의 후보물질을 검사해야 하는데, 후보 물질을 단수로 검사하는 경우 최적의 후보물질 발굴을 위해 긴 탐색시간이 필요하므로 실효성이 낮다.As an example of medical analysis, the diagnosis of a disease using a single biomarker requires a large amount of samples and the diagnosis rate is very slow, which increases the cost of diagnosis and makes a large number of diagnosis difficult. In addition, in order to search for a candidate group of diagnostic reagents, a plurality of candidates should be examined. However, when a single candidate is tested, a long search time is required to find an optimal candidate.
그에 따라 최근에는 다중 표지자를 이용한 진단 시약의 탐색 및 질병 진단법에 나노 분광학을 적용한 기술이 활용되고 있다. 최근의 가장 각광받는 기술로서는 다중 표지 프로브(Probe)를 이용하여 다수의 바이오 마커에 대한 독립적인 신호를 얻고 이를 한 번에 분석하여 다중 표적을 동시에 검출하는 방식으로, 다양한 방식에 대한 연구가 학계에 보고되고 있다.In recent years, nanospectrometry has been used to search for diagnostic reagents and diagnose diseases using multiple markers. Recently, the most popular technology is to obtain independent signals for a plurality of biomarkers using multiple labeled probes and analyze them at once to detect multiple targets simultaneously. Is being reported.
이러한 다중 진단에 적용하는 신호의 Read-out 방식은 종래와 같이 단일 시료를 여러 스팟(spot)에 나눠서 분석하여 검사 항목에 따라 시료의 양이 증가하는 멀티 스팟팅(Multi spotting) 기술이 아니라, 금 또는 은의 나노입자를 이용한 프로브를 제작하여 신호의 민감도를 증가시키는 나노 프로브(nanoprobe) 기술을 통해 정량적 분석 결과를 도출하는 기술로서, 다차원 표지 기술을 통해 다량의 서로 다른 물질의 표지가 동시에 가능하다.The signal read-out method applied to the multi-diagnosis is not a multi-spotting technique in which a single sample is divided into multiple spots and analyzed so that the amount of the sample increases according to a test item. Alternatively, a nanoquantum probe (nanoprobe) technology for producing a probe using silver nanoparticles to increase the sensitivity of the signal to derive quantitative analysis results, a multi-dimensional labeling technology can be used to label a large amount of different materials at the same time.
이러한 다중 표지자 진단에 최근 적용되는 가장 일반적인 나노 프로브 기술은 FACS(Fluorescense-Assisted Cell Sorter)와 같은 형광 기반의 다중 측정 기술을 들 수 있는데, 이러한 방식은 형광을 기반으로 측정하기 때문에 단위 측정 물질의 파장 폭이 넓어 다중 진단이 가능한 표지자의 개수가 제한되므로 수백만 개 이상의 후보물질을 표지하거나 탐색하는 분야에는 사용할 수 없다.The most common nano-probe technology recently applied to the diagnosis of such multiple markers is fluorescence-based multi-measurement technology such as Fluorescense-Assisted Cell Sorter (FACS). The wide range of multiple diagnostics limits the number of markers that cannot be used in the field of labeling or searching for millions of candidates.
전술한 종래 라만 측정 장치의 구조적 제한과 다중 표지자 분석 방식의 한계에도 불구하고 의료 서비스의 수준이 높아짐에 따라 다중 생체 표지자 분석에 대한 수요가 증가하고 있으므로 다중 생체 표지자 분석을 위한 충분한 넓이의 시료에 대한 분석이 가능한 라만 분석 장치를 일반 병의원에 보급이 가능할 정도의 낮은 비용과 테이블 탑 정도의 소형 크기와 빠른 측정이 가능하면서도 신호의 민감도와 정확도가 높은 새로운 기술이 요구되고 있는 실정이다.Despite the structural limitations of the conventional Raman measuring apparatus and the limitations of the multi-label analysis method described above, as the level of medical service increases, the demand for multi-biomarker analysis is increasing. The low cost of distributing the Raman analysis device to the general hospital, the small size of the table top and the rapid measurement, the new technology with high signal sensitivity and accuracy is required.
한편, 종래의 라만 분석 장치는 스팟이나 일정한 크기의 라인 영상을 반복하여 획득한 후 매 획득한 결과물을 라만 맵과 대응시켜 분석하므로 위치 정보나 그에 따른 라만 정보에 민감한 시료에서는 효율적일 수 있으나, 생체 표지자 분석을 위한 광범위 시료에 존재하는 다수의 미량 생체 표지자를 신속하고 정밀하게 정량분석해야 하는 경우에는 한계가 있다.On the other hand, the conventional Raman analysis apparatus repeatedly acquires a spot or a line image of a certain size and analyzes the obtained result corresponding to the Raman map, so that it may be efficient in a sample sensitive to location information or Raman information, but the biomarker There are limitations when it is necessary to quickly and precisely quantitate a large number of trace biomarkers present in a wide range of samples for analysis.
또한, 종래의 라만 분석 장치는 매 측정 위치의 영상을 개별적으로 획득하기 때문에 카메라의 영상 획득 동작 시마다 발생하는 노이즈로 인해 이를 저감시키는 구성이 부가되어야 하므로 정밀도가 낮고 스캔 속도가 느려져 광범위 시료의 다중 진단에 효율적이지 못하다.In addition, since the conventional Raman analysis apparatus acquires images of every measurement position individually, a configuration to reduce the noise due to noise generated at each image acquisition operation of the camera has to be added. Not efficient at
특히, 다차원 표지 기술을 통해 다량의 서로 다른 물질을 고속으로 탐색하여 다중 질병을 동시에 진단하거나 진단 시약의 후보군에서 적합한 시약을 탐색하는 분야에서는, 시료의 위치별 라만 정보의 정확성보다는 시료 전체에서의 라만 정보의 확률적 분포 및 그에 이용되는 계수 정보가 분석의 정밀도에 훨씬 더 큰 영향을 미치기 때문에 균일한 측정 환경에서 고속 측정을 통한 연속적 결과 수집이 중요하다.In particular, in the field of detecting a large amount of different substances at high speed through multi-dimensional labeling technology to diagnose multiple diseases at the same time or searching for a suitable reagent in a candidate group of diagnostic reagents, the Raman throughout the sample rather than the accuracy of the Raman information according to the location of the sample. Because the probabilistic distribution of information and the coefficient information used therein have a much greater impact on the accuracy of analysis, it is important to collect continuous results through high-speed measurements in a uniform measurement environment.
결국, 아직까지 의료용 생체 표지자 분석을 위한 적절한 수준의 라만 분석 장치가 제공되지 못하고 있으며, 현재의 카메라 촬영 방식이나 분석 방식 또한 생체 표지자 분석에 최적화되지 못한 상황이므로 일반 병,의원에서 다중 생체 표지자 분석을 실시하는 것은 기술적, 경제적으로 어려운 상황이다.As a result, an adequate level of Raman analysis apparatus has not yet been provided for the analysis of medical biomarkers, and current camera imaging methods and analysis methods have not been optimized for biomarker analysis. Implementing is a technically and economically difficult situation.
따라서, 이러한 의료용 분석 및 소규모 산업을 위한 적절한 부피와 비용 및 성능을 제공할 수 있는 새로운 라만 분석 장치 및 방법이 요구되고 있다.Thus, there is a need for new Raman analysis devices and methods that can provide adequate volume, cost and performance for such medical analysis and small industries.
[선행기술문헌][Preceding technical literature]
[특허문헌][Patent Documents]
한국 공개 특허 제2011-7019504호Korean Unexamined Patent No. 2011-7019504
유럽 공개공보 EP1983332A1호European Publication No. EP1983332A1
PCT 공개공보 WO 2009/093050A1호PCT Publication WO 2009 / 093050A1
전술한 문제점을 개선하기 위한 본 발명 실시 예의 목적은 종래의 스팟 단위의 분석과 상이하게, 하나 이상의 순차 스캔 구간에 대한 연속적 분광 정보를 한 번의 카메라 동작 기간 중 Read-out함으로써 카메라 동작에 의해 발생하는 노이즈를 줄이면서 스캔 속도를 향상하도록 한 라만 분석 장치 및 방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention for improving the above-described problem is different from the conventional spot unit analysis, which is generated by the camera operation by reading out the continuous spectral information for one or more sequential scan intervals during one camera operation period. It is to provide a Raman analysis apparatus and method to improve the scanning speed while reducing the noise.
전술한 문제점을 개선하기 위한 본 발명 실시 예의 다른 목적은 연속 순차 스캔 방식의 특성을 고려하여 단일의 플립미러부를 구성하고 가변 일축과 수직되는 타 축에 대해 플립미러부 전체를 이동시킴으로써 분석의 정밀도는 저하하지 않으면서 해당 축 구동부의 크기와 비용을 절감하도록 한 라만 분석 장치 및 방법을 제공하는 것이다.Another object of the embodiment of the present invention for improving the above problems is to configure a single flip mirror unit in consideration of the characteristics of the continuous sequential scan method and to move the entire flip mirror unit about the other axis perpendicular to the variable one axis, the accuracy of the analysis It is to provide a Raman analysis apparatus and method to reduce the size and cost of the shaft drive without deterioration.
전술한 문제점을 개선하기 위한 본 발명 실시 예의 또 다른 목적은 순차 스캔 구간에 대한 연속적 분광 정보를 기 설정된 분포 및 계수 정보를 포함하는 라만 맵으로 분석 결과를 도출함으로써 시료의 정확한 위치 및 절대적 분광 정보보다 속도와 정량 분석에 최적화하도록 한 라만 분석 장치 및 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention for improving the above-mentioned problem is to derive the results of analysis of the continuous spectral information for the sequential scan interval to the Raman map including the preset distribution and coefficient information than the exact position and absolute spectral information of the sample It is to provide a Raman analysis apparatus and method for optimizing speed and quantitative analysis.
전술한 문제점을 개선하기 위한 본 발명 실시 예의 또 다른 목적은 자동 초점 조정 센서를 통해 시료를 안착시키는 스테이지를 대물렌즈와 대면하여 움직이며 스캔에 따른 시료 높이 변화를 보정함으로써 광원의 에텐듀를 최소화하도록 한 라만 분석 장치 및 방법을 제공하는 것이다.Another object of the embodiment of the present invention for improving the above-mentioned problem is to minimize the etendue of the light source by moving the stage seating the sample through the auto focusing sensor facing the objective lens and correcting the change in the sample height according to the scan. One Raman analysis apparatus and method are provided.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 광영역 시료를 고속 정량 분석하는 라만 분석 장치는 시료에 존재하는 복수 종류의 검색 대상 정보를 일괄 수집 분석하는 라만 분석 장치로서, 레이저 광원으로부터 제공되는 입사광을 반사시키며 일축에 대한 반사 경로를 기 설정된 범위의 속도로 가변시키는 플립미러부, 상기 플립미러부의 가변 축과 수직되는 타 축을 기준으로 상기 플립미러부를 위치를 상기 플립미러부 가변속도보다 느린 속도로 상기 플립미러부의 동작에 동기시켜 가변시키는 엑추에이터부, 상기 플립미러부와 엑추에이터부를 제어하여 대물렌즈를 통해 상기 시료에 제공되는 입사광이 검사 영역 중 적어도 일부 영역을 연속적으로 순차 스캔하도록 하는 스캔 제어부 및 상기 스캔 제어부에 의해 입사광이 상기 검사 영역을 순차 스캔하면서 발생되는 상기 복수 종류의 검색 대상에 의한 라만 신호가 혼합된 반사광을 기 설정된 광 경로를 통해 입력받아 해당 반사광에 대한 분광 정보를 카메라를 통해 출력하되, 시료별로 설정된 하나 이상의 순차 스캔 구간에 대한 연속적 분광 정보를 한 번의 카메라 동작 기간 중 출력하는 분광부를 포함한다.Raman analysis device for high-speed quantitative analysis of a light domain sample according to an embodiment of the present invention for achieving the above object is a Raman analysis device for collectively collecting and analyzing a plurality of types of search target information present in the sample, from a laser light source A flip mirror unit for reflecting the incident light provided and varying a reflection path with respect to one axis at a speed in a preset range, and positioning the flip mirror unit with respect to another axis perpendicular to the variable axis of the flip mirror unit. An actuator unit configured to vary and synchronize the operation of the flip mirror unit at a slow speed, and a scan to control the flip mirror unit and the actuator unit so that incident light provided to the sample through the objective lens continuously scans at least a portion of the inspection region sequentially The incident light is inspected by the control unit and the scan control unit One or more sequential scans are provided by receiving a reflected light mixed with Raman signals generated by the plurality of types of search targets generated by sequentially scanning the inverse through a preset optical path, and outputting spectroscopic information about the reflected light through a camera. It includes a spectroscope for outputting continuous spectroscopic information on the interval during one camera operation period.
상기 검색 대상은 산업용 제조품이거나 의료용 생체 표지자일 수 있다.The search object may be an industrial product or a medical biomarker.
상기 엑추에이터부는 소형 모터, 피에조 엑추에이터, 초음파 엑추에이터를 포함하는 선형 제어 가능한 범용 구동부 구조를 포함하는 것이 바람직하다.The actuator unit preferably includes a linear controllable universal drive structure including a small motor, piezo actuator, and ultrasonic actuator.
상기 플립미러부는 보이스 코일 모터나 MEMS 구동부를 포함하는 것이 바람직하다.The flip mirror unit preferably includes a voice coil motor or a MEMS driver.
상기 스캔 제어부는 상기 시료를 안착시키는 스테이지를 상기 대물렌즈의 대면에 대해 상하 방향으로 움직이며 상기 스캔에 따른 시료 높이 변화를 보정하는 보정부를 더 포함할 수 있다.The scan control unit may further include a correction unit configured to move the stage on which the sample is seated in a vertical direction with respect to the surface of the objective lens, and to correct a change in the sample height according to the scan.
상기 분광부는 500 나노미터에서 600 나노미터 사이에서 최고의 양자 효율(Quantum Efficiency)를 갖는 CCD를 포함하는 것이 바람직하며, 시료 목적에 따라 다른 파장 영역대로 선택이 가능하다.The spectrometer preferably includes a CCD having the highest quantum efficiency between 500 nanometers and 600 nanometers, and may be selected in different wavelength ranges according to the sample purpose.
상기 라만 분석 장치는 탁상형이며 일체형일 수 있다.The Raman assay device may be tabletop and integral.
한편, 일례로서 상기 시료는 복수 종류의 생체 표지자가 혈액과 혼합된 1 제곱 밀리미터 면적 이상일 수 있다.On the other hand, as an example, the sample may be one square millimeter area or more in which a plurality of biomarkers are mixed with blood.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시 예에 따른 광영역 시료를 고속 정량 분석하는 라만 분석 방법은 시료에 존재하는 복수 종류의 검색 대상 정보를 일괄 수집 분석하는 라만 분석 장치의 측정 방법으로서, 상기 연속적 분광 정보를 기 설정된 분포 및 계수 정보를 포함하는 라만 맵의 형태로 분석하여 분석 결과를 도출하는 단계를 포함한다.Raman analysis method for high-speed quantitative analysis of a light domain sample according to another embodiment of the present invention for achieving the above object is a measurement method of the Raman analysis device for collectively collecting and analyzing a plurality of types of search target information present in the sample, And analyzing the continuous spectral information in the form of a Raman map including preset distribution and coefficient information to derive an analysis result.
이때, 상기 라만 분석 방법은 상기 검색 대상이 생체 표지자인 경우 다차원 다중 표지자 분석 및 측정을 통해 상기 라만 맵 상의 정보를 기초로 복수 질병에 대한 개별적 발병 가능성을 동시에 분석하는 다중 정량 진단을 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.In this case, the Raman analysis method is a step of performing a multi-quantitative diagnosis to simultaneously analyze the possibility of individual diseases for a plurality of diseases based on the information on the Raman map through the multi-dimensional multi-label analysis and measurement when the search target is a biomarker It may further include.
본 발명의 실시 예에 따른 광영역 시료를 정량 분석하는 라만 분석 장치 및 방법은 종래의 스팟 단위의 분석과 상이하게, 하나 이상의 순차 스캔 구간에 대한 연속적 분광 정보를 한 번의 카메라 동작 기간 중 Read-out함으로써 카메라 동작에 의해 발생하는 노이즈를 줄이면서 스캔 속도를 향상하도록 하여 다차원 다중 표지자 분석의 속도를 매우 향상시키는 효과가 있다.Raman analysis apparatus and method for quantitatively analyzing a wide-area sample according to an embodiment of the present invention, unlike the conventional spot unit analysis, continuous spectral information for one or more sequential scan interval read-out during one camera operation period As a result, scan speed is improved while reducing noise generated by camera operation, thereby greatly improving the speed of multi-dimensional multi-marker analysis.
본 발명의 실시 예에 따른 광영역 시료를 정량 분석하는 라만 분석 장치 및 방법은 연속 순차 스캔 방식의 특성을 고려하여 단일의 플립미러부를 구성하고 가변 일축과 수직되는 타 축에 대해 플립미러부 전체를 이동시킴으로써 분석의 정밀도는 저하하지 않으면서 해당 축 구동부의 크기와 비용을 절감하도록 하여 라만 분석 장치 구성의 효율성을 높이는 효과가 있다.Raman analysis apparatus and method for quantitatively analyzing a wide-area sample according to an embodiment of the present invention in consideration of the characteristics of the continuous sequential scan method constitutes a single flip mirror unit and the entire flip mirror unit with respect to the other axis perpendicular to the variable one axis By moving, it is possible to reduce the size and cost of the axis drive without sacrificing the accuracy of analysis, thereby increasing the efficiency of the Raman analysis device configuration.
본 발명의 실시 예에 따른 광영역 시료를 정량 분석하는 라만 분석 장치 및 방법은 순차 스캔 구간에 대한 연속적 분광 정보를 기 설정된 분포 및 계수 정보를 포함하는 라만 맵으로 분석하여 분석 결과를 도출함으로써 시료의 정확한 위치 및 절대적 분광 정보보다 속도와 정량 분석에 최적화하도록 하여 다중 질병 진단의 해석 또는 다중 진단 시약의 분석에 매우 적합한 효과가 있다.The Raman analysis apparatus and method for quantitatively analyzing a wide-area sample according to an exemplary embodiment of the present invention analyzes the continuous spectral information of a sequential scan interval with a Raman map including preset distribution and coefficient information to derive an analysis result. Optimized for speed and quantitative analysis rather than accurate location and absolute spectral information, it is very well suited for the interpretation of multiple disease diagnosis or analysis of multiple diagnostic reagents.
본 발명의 실시 예에 따른 광영역 시료를 정량 분석하는 라만 분석 장치 및 방법은 자동 초점 조정 센서를 통해 시료를 안착시키는 스테이지를 대물렌즈와 대면하여 움직이며 스캔에 따른 시료 높이 변화를 보정함으로써 광원의 에텐듀를 최소화하도록 하여 라만 이미지의 분석 효율을 더욱 높이는 효과가 있다.The Raman analysis apparatus and method for quantitatively analyzing a wide-area sample according to an embodiment of the present invention moves a stage on which a sample is seated through an auto focusing sensor to face an objective lens and corrects a change in sample height according to a scan. By minimizing etendue, Raman image analysis efficiency is further increased.
도 1은 종래의 라만 분석 장치의 구성도.1 is a block diagram of a conventional Raman analysis device.
도 2는 종래의 라만 분석 방법의 예시도.Figure 2 is an illustration of a conventional Raman analysis method.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 시료 내 다수 생체 표지자를 정량 분석하는 라만 분석 장치의 구성도.Figure 3 is a block diagram of a Raman analysis device for quantitative analysis of a plurality of biological markers in a sample according to an embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 시료 내 다수 생체 표지자를 정량 분석하는 라만 분석 방법의 예시도.Figure 4 is an illustration of a Raman analysis method for quantitatively analyzing a plurality of biological markers in a sample according to an embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 플립미러부의 동작 예시도.5 is a view illustrating an operation of a flip mirror unit according to an embodiment of the present invention.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 시료 영상 스캔의 예시도.6 is an exemplary view of a sample image scan according to an embodiment of the present invention.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 빔 스캔 패턴의 예시도.7 is an exemplary diagram of a beam scan pattern according to an embodiment of the present invention.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 시료 내 다수 생체 표지자를 정량 분석하는 라만 분석 방법의 순서도.8 is a flow chart of a Raman analysis method for quantitatively analyzing a plurality of biological markers in a sample according to an embodiment of the present invention.
도 9는 종래의 라만 분석 장치의 구성도.9 is a block diagram of a conventional Raman analysis device.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 시료 영상 및 스펙트럼의 예시도.10 is an exemplary view of a sample image and spectrum according to an embodiment of the present invention.
상기한 바와 같은 본 발명을 첨부된 도면들과 실시 예들을 통해 상세히 설명하도록 한다.The present invention as described above will be described in detail with reference to the accompanying drawings and embodiments.
설명에 앞서, 이하 설명하는 본 발명의 실시예에 따른 광영역 시료를 고속 정량 분석하는 라만 분석 장치는 반도체 웨이퍼에 대한 시료 내에 존재하는 크랙 이나 이물을 검색 대상으로 하거나 나노 재료 등과 같은 미세 시료의 특정 물질을 검색 대상으로 하는 산업용 생산품의 분석, 의료용 생체 표지자의 분석 등에 적용될 수 있는데, 본 발명의 설명에서는 이러한 대상 시료들 중 적용이 까다롭고 시료의 크기가 큰 생체 표지자 분석을 위한 실시예를 설명하며, 그 중에서도 시료 내 존재하는 다수 생체 표지자를 분석 대상으로 하는 경우를 예로 들어 설명한다. 이러한 시료 내 다수 생체 표지자 분석을 위한 라만 분석 장치 및 방법은 당연히 산업용 생산품의 분석에도 그대로 활용될 수 있다.Prior to the description, the Raman analysis apparatus for high-speed quantitative analysis of a wide-area sample according to an embodiment of the present invention described below targets a crack or a foreign substance present in a sample for a semiconductor wafer or specifies a micro sample such as a nanomaterial. The present invention can be applied to the analysis of industrial products for the detection of substances, the analysis of medical biomarkers, etc. The description of the present invention describes an embodiment for the analysis of biomarkers that are difficult to apply among these target samples and have a large sample size. Among them, a case where a plurality of biological markers present in a sample are used as an analysis target is described as an example. Raman analysis apparatus and method for the analysis of a number of biological markers in the sample can of course be utilized in the analysis of industrial products.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 시료 내 다수 생체 표지자를 정량 분석하는 라만 분석 장치의 구성도다.3 is a block diagram of a Raman analysis device for quantitatively analyzing a plurality of biological markers in a sample according to an embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 상기 라만 분석 장치는 시료(21)에 존재하는 복수 종류의 미량 생체 표지자 정보를 일괄 수집 분석하는 라만 분석 장치로서, 레이저 광원(10)으로부터 제공되는 입사광을 반사시키며 일축에 대한 반사 경로를 기 설정된 범위의 속도로 가변시키는 플립미러부(81), 상기 플립미러부(81)의 가변 축과 수직되는 타 축을 기준으로 상기 플립미러부(81)를 위치를 상기 플립미러부(81) 가변속도보다 느린 속도로 상기 플립미러부(81)의 동작에 동기시켜 가변시키는 엑추에이터부(60), 상기 플립미러부(81)와 엑추에이터부(60)를 제어하여 대물렌즈(20)를 통해 상기 시료(21)에 제공되는 입사광이 검사 영역 중 적어도 일부 영역을 연속적으로 순차 스캔하도록 하는 스캔 제어부(65,75) 및 상기 스캔 제어부(65,75)에 의해 입사광이 상기 검사 영역을 순차 스캔하면서 발생되는 상기 복수 종류의 생체 표지자에 의한 라만 신호가 혼합된 반사광을 기 설정된 광 경로를 통해 입력받아 해당 반사광에 대한 분광 정보를 카메라(40)를 통해 출력하되, 시료별로 설정된 하나 이상의 순차 스캔 구간에 대한 연속적 분광 정보를 한 번의 카메라 동작 기간 중 출력하는 분광부(50)를 포함한다.Referring to FIG. 3, the Raman analysis apparatus is a Raman analysis apparatus for collectively analyzing and analyzing a plurality of kinds of trace biomarker information present in the sample 21. The Raman analysis apparatus reflects incident light provided from the laser light source 10 and is provided with respect to one axis. The flip mirror unit 81 positions the flip mirror unit 81 to change the reflection path at a speed within a preset range, and the flip mirror unit 81 is positioned on the other axis perpendicular to the variable axis of the flip mirror unit 81. 81) The objective lens 20 is controlled by controlling the actuator unit 60, the flip mirror unit 81, and the actuator unit 60, which are synchronized with the operation of the flip mirror unit 81 at a slower speed than the variable speed. Incident light sequentially scans the inspection area by the scan control units 65 and 75 and the scan control unit 65 and 75 so that the incident light provided to the sample 21 sequentially scans at least some regions of the inspection area. Ha While receiving the reflected light mixed with the Raman signal generated by the plurality of biological markers generated through a predetermined optical path and outputs the spectroscopic information on the reflected light through the camera 40, at least one sequential scan interval set for each sample It includes a spectroscope 50 for outputting the continuous spectroscopic information for one camera operation period.
상기 플립미러부(81)는 도시 및 식별 구분의 편의를 위해 플립미러(80)를 포함하는 사각형으로 도시하였으나, 상기 플립미러(80) 및 상기 가변 축과 상기 타 축 또는 상기 플립미러(80) 및 상기 가변 축의 구동 구성(70,75) 및 상기 타 축의 구동 구성(60,65) 등으로 구성되어 가변 및 이동이 편리하도록 구성할 수 있음은 물론이다.Although the flip mirror unit 81 is illustrated as a quadrangle including the flip mirror 80 for convenience of illustration and identification, the flip mirror 80 and the variable axis and the other axis or the flip mirror 80 are illustrated. And a drive configuration (70, 75) of the variable shaft and a drive configuration (60, 65) of the other shaft, etc. can be configured to be variable and easy to move.
바람직한 실시 예로서, 상기 라만 분석 장치에서 레이저 광원(10)으로부터 출발하는 입사광은 공간 필터(11:Spatial Filter)와 하나 이상의 미러(12,14:Mirror) 및 다이크로익 미러(13:Dichroic Mirror)로 구성되는 광 경로를 거쳐 플립미러부(81)에 도착한다.According to a preferred embodiment, the incident light from the laser light source 10 in the Raman analysis apparatus includes a spatial filter 11, one or more mirrors 12 and 14, and a dichroic mirror 13. Arrive at the flip-mirror part 81 via the optical path comprised by.
상기 라만 분석 장치는 광 경로 상에 배치한 플립미러부(81)의 가변 축의 구동부(70)를 통해 가변 축 방향의 광 경로를 빠른 속도로 이동시키며 상기 타 축 방향은 이에 비해 느린 속도로 이동시킨다.The Raman analysis apparatus moves the optical path in the variable axis direction at a high speed through the drive unit 70 of the variable axis of the flip mirror unit 81 disposed on the optical path, and the other axis direction is moved at a slower speed than this. .
즉, 스캔 동작을 위해서는 일 축의 고속 구동이 필요하지만, 다른 축의 경우 상대적으로 구동 속도가 느리더라도 무방하다.That is, high speed driving of one axis is required for the scan operation, but the driving speed of the other axis may be relatively low.
상기 라만 분석 장치는 상기 스캔 제어부(65,75)를 통해 이러한 동작을 미세 조정하여 대물렌즈(20)를 통해 입사된 광원이 스테이지(29) 상의 시료(21)와 만나는 지점이 연속적인 경로를 갖도록 구성할 수 있다.The Raman analysis apparatus finely adjusts this operation through the scan controllers 65 and 75 so that the point where the light source incident through the objective lens 20 meets the sample 21 on the stage 29 has a continuous path. Can be configured.
상기 가변 축(예를 들어, X축)의 미세 조정은 액추에이터(Actuator)와 같은 보이스 코일 모터(70:Voice Coil Motor)나 멤스(MEMS:Micro Electro Mechanical Systems) 구동부 및 이의 구동을 제어하는 드라이버(75)를 통해 고속 미세 조정이 가능하다. 이는 상용 갈보 미러(Galvo Mirror)를 이용할 수 있다.Fine adjustment of the variable axis (for example, the X axis) may be performed by a voice coil motor (70) or a MEMS (MEMS) driver such as an actuator and a driver for controlling the driving thereof. 75), high-speed fine adjustment is possible. This may use a commercial Galvo Mirror.
여기서, 구동부를 MEMS로 할 경우 고정 주파수로 진동하므로 절대 위치 조정은 어렵지만 스캔 구동에는 적합하고 미러도 일체화할 수 있어 크기와 비용을 크게 줄일 수 있다.Here, if the drive unit is a MEMS oscillation at a fixed frequency, it is difficult to adjust the absolute position, but it is suitable for the scan drive and can also integrate the mirror, thereby greatly reducing the size and cost.
그러나, 상기 타 축(예를 들어, Y축)의 조정은 소형 모터(60), 피에조 엑추에이터 혹은 초음파 엑추에이터와 같은 상대적으로 저렴하고 선형 제어가 용이한 모터를 이용할 수 있으며 이의 구동을 제어하는 드라이버(65)를 통해 조정이 가능하다. 이를 통해, 비용을 낮추고 제어 부담을 줄일 수 있다.However, the adjustment of the other axis (e.g., Y-axis) may use a relatively inexpensive and easy linear control motor such as a small motor 60, a piezo actuator or an ultrasonic actuator, and a driver for controlling the driving thereof. 65) can be adjusted. This lowers costs and reduces control burden.
한편, 상기 대물렌즈(20)를 통해 입사한 광원은 시료(21)와 부딪쳐 산란하게 되는데, 대부분은 입사광과 같은 에너지를 가지고 산란하나, 일부는 고유한 정도로 시료와 에너지를 주고받아 비탄성 산란하게 된다.On the other hand, the light source incident through the objective lens 20 is scattered by striking the sample 21, most of which is scattered with the same energy as the incident light, but some are inelastic scattering by exchanging energy with the sample to a unique degree .
이때, 시료(21)의 물성 특성에 따라 시료(21)가 에너지를 잃는 스톡스(Stokes) 산란 및 시료가 에너지를 얻는 안티 스톡스(Anti-Stokes) 산란의 파장은 고유한 형태로 나타나며, 상기 분광부(50)는 에지 필터(28:Edge Filter)를 통해 이를 수집(일반적으로 스톡스 산란)하여 고유한 형태의 스펙트럼으로 표시할 수 있다.In this case, the wavelengths of Stokes scattering in which the sample 21 loses energy and Anti-Stokes scattering in which the sample obtains energy appear in a unique form according to the physical properties of the sample 21. 50 may collect (typically Stokes scatter) through an edge filter 28 and display it as a uniquely shaped spectrum.
상기 라만 분석 장치에서는 시료(21)별로 설정된 하나 이상의 순차 스캔 구간에 대한 연속적 분광 정보를 한 번의 카메라(40) 동작 기간 중 출력하여 컴퓨터(30)로 분석하여 시료(21)의 특성을 파악할 수 있다.In the Raman analysis apparatus, continuous spectroscopic information on one or more sequential scan sections set for each sample 21 may be output during one camera 40 operation period and analyzed by the computer 30 to determine characteristics of the sample 21. .
여기서, 상기 카메라(40)의 개별 동작은 카메라 초기화(촬상부 메모리 클린, 자동 노출 조정, 화이트 밸런스 조정 등)와 카메라 셔터 동작에 따른 광 수집, 수집 영상의 출력 포맷 처리의 일련의 과정을 의미한다.Here, the individual operation of the camera 40 refers to a series of processes of camera initialization (image memory clean, automatic exposure adjustment, white balance adjustment, etc.), light collection, and output format processing of the collected image according to the camera shutter operation. .
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 시료 내 다수 생체 표지자를 정량 분석하는 라만 분석 방법의 예시도로서, 본 발명의 실시 예에 따른 라만 분석 장치는 분광부(50)가 이러한 상기 복수 종류의 생체 표지자에 의한 라만 신호가 혼합된 반사광을 기 설정된 광 경로를 통해 입력받아 해당 반사광에 대한 분광 정보를 카메라(40)를 통해 출력하되, 시료(21)별로 설정된 하나 이상의 순차 스캔 구간(22,23)에 대한 연속적 분광 정보(24)를 한 번의 카메라 동작 기간 중 출력하고 이를 분석 툴(35)이 상기 시료 상의 분포 및 계수 정보를 포함하는 라만 맵(37:Raman Map)으로 분석하여 분석 결과를 도출한다.4 is an exemplary diagram of a Raman analysis method for quantitatively analyzing a plurality of biological markers in a sample according to an embodiment of the present invention. In the Raman analysis apparatus according to an embodiment of the present invention, the spectroscope 50 includes Receives the reflected light mixed with the Raman signal by the biomarker through the preset optical path and outputs the spectral information of the reflected light through the camera 40, one or more sequential scan periods 22, 23 set for each sample 21 Continuous spectral information 24 is output during one camera operation period, and the analysis tool 35 analyzes the Raman map 37 including the distribution and coefficient information on the sample to derive the analysis result. do.
종래의 라만 분석 장치는 상술한 바와 같이 스팟별 영상을 반복하여 획득한 후 일일이 스팟별 정보를 포함하는 라만 맵과 대응하여 분석하므로 스팟별 위치 정보와 그에 따른 라만 정보에 민감한 시료에서는 효율적일 수 있으나, 상술한 광범위 시료에 존재하는 다수의 미량 생체 표지자를 이른 시간 내에 정량분석이 가능하도록 하는 라만 분석 방법에는 적합하지 않다.As the conventional Raman analysis apparatus repeatedly acquires an image for each spot as described above, and analyzes it in correspondence with the Raman map including the information for each spot, it may be efficient in a sample sensitive to the location information for each spot and the resulting Raman information. It is not suitable for the Raman analysis method which enables the quantitative analysis of a plurality of trace biomarkers present in the above-mentioned wide range of samples in an early time.
특히, 다차원 표지 기술을 통해 다량의 서로 다른 물질을 고속으로 탐색하여 다중 질병을 동시에 진단하거나 진단 시약의 후보군에서 적합한 시약을 탐색하는 분야에서는, 시료의 위치별 라만 정보의 정확성보다는 시료 전체에서의 라만 정보의 확률적 분포 및 그에 이용되는 계수 정보가 분석의 정밀도에 훨씬 더 큰 영향을 끼치기 때문이다.In particular, in the field of detecting a large amount of different substances at high speed through multi-dimensional labeling technology to diagnose multiple diseases at the same time or searching for a suitable reagent in a candidate group of diagnostic reagents, the Raman throughout the sample rather than the accuracy of the Raman information according to the location of the sample. This is because the probabilistic distribution of information and the coefficient information used therein have a much greater influence on the precision of analysis.
또한, 다중 생체 표지자에 혈액을 적용한 적어도 1 제곱 밀리미터(mm)의 대면적 시료에 대한 측정이 필요하므로 검사 면적의 대형화와 그에 따른 속도 개선이 요구된다.In addition, since the measurement of a large area sample of at least one square millimeter (mm) in which blood is applied to multiple biological markers is required, the size of the test area is increased and thus the speed is improved.
더불어, 종래의 라만 분석 장치는 스팟을 단위로 측정하므로 카메라의 스팟별 동작에 의해 매 동작시 발생하는 노이즈로 인해 연속 스캔에 비해 정밀도가 더 낮아지게 된다.In addition, since the conventional Raman analysis apparatus measures the spot in units, the precision is lower than that of the continuous scan due to the noise generated during each operation by the spot-specific operation of the camera.
아울러, 종래의 라만 분석 장치는 소위 "라인 스캔"으로 불리는 스캐닝 방식을 사용하거나 상술한 멀티 스팟팅 방식을 사용하는 데 이러한 방식들은 본 발명과 같이 연속 영역에 대한 순차 스캔을 수행하지 않고 일부 이상의 영역에 대해 불연속적인 스캔 방식을 수행하게 되어 촬영 동안 발생하는 노이즈가 커지게 된다.In addition, the conventional Raman analysis apparatus uses a so-called "line scan" scanning scheme or the above-mentioned multi-spotting scheme, which does not perform a sequential scan for a continuous region as in the present invention, but at least a portion of the region. The discontinuous scanning method is performed on the A, thereby increasing the noise generated during shooting.
반면, 본 발명의 실시 예에 따른 라만 분석 장치는 종래의 스팟 단위의 분석과 상이하게, 하나 이상의 순차 스캔 구간(전체 영역 또는 소정 분할 영역 등)에 대한 연속적 분광 정보를 한 번의 카메라 동작 기간 중 Read-out하므로 매번 카메라 동작에 의한 초기화 시 발생하는 노이즈를 한번으로 줄이면서 스캔 속도를 향상시키므로 고속 다차원 다중 표지자 분석의 속도와 품질을 향상시킨다.On the other hand, the Raman analysis apparatus according to an embodiment of the present invention reads continuous spectroscopic information on one or more sequential scan sections (whole area or a predetermined divided area) during one camera operation period differently from conventional spot unit analysis. -out improves the speed and quality of high-speed multi-dimensional multi-marker analysis by reducing scan noise while initializing the camera operation every time and improving scan speed.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 라만 분석 장치는 순차 스캔 구간에 대한 연속적 분광 정보를 분포 및 계수 정보를 포함하는 라만 맵(37)으로 분석하여 분석 결과를 도출하므로, 시료(21)의 정확한 위치(22) 및 절대적 위치의 분광 정보가 아닌 정량 분석을 요구하는 다중 질병 진단의 해석 또는 다중 진단 시약의 분석에 매우 적합하다.In addition, since the Raman analysis apparatus according to an embodiment of the present invention derives an analysis result by analyzing the continuous spectral information on the sequential scan interval with the Raman map 37 including distribution and coefficient information, the exact position of the sample 21. (22) and for the analysis of multiple disease diagnosis or analysis of multiple diagnostic reagents that require quantitative analysis rather than absolute spectroscopic information.
더불어, 본 발명의 실시 예에 따른 라만 분석 장치는 플립미러부(81)의 가동 범위와 이를 타 축으로 이동시키는 엑추에이터부(예를 들어, 소형모터(60), 피에조 엑추에이터, 초음파 엑추에이터)의 가동이 서로 영향을 주지 않으므로(기존 X,Y 구성의 미러부는 각 가동 범위가 광 경로를 감안하여 제한적임), 대면적 시료에 대한 스캔이 가능하므로 1 제곱 밀리미터(mm) 이상의 시료에 대해서도 용이하게 대응할 수 있다.In addition, the Raman analysis apparatus according to an embodiment of the present invention, the movable range of the flip mirror unit 81 and the actuator unit (for example, the small motor 60, the piezo actuator, the ultrasonic actuator) for moving it to another axis Since they do not affect each other (the mirror part of the existing X and Y configuration is limited in consideration of the optical path of each moving range), it is possible to scan a large area sample so that it is easy to cope with samples larger than 1 square millimeter (mm). Can be.
한편, 다시 도 3을 참조하면, 상기 엑추에이터부(60)는 소형 모터 또는 피에조 엑추에이터, 초음파 엑추에이터 등과 같이 비교적 저렴하고 선형 제어가 용이하면서도 적절한 제어 정밀도를 가지는 범용 구동부와 드라이버로 구성할 수 있다.Meanwhile, referring again to FIG. 3, the actuator unit 60 may be configured as a general-purpose driving unit and a driver having a relatively inexpensive, easy linear control and proper control precision, such as a small motor, a piezo actuator, an ultrasonic actuator, and the like.
상기 스캔 제어부(65,75)는 상기 시료(21)를 안착시키는 스테이지(29)를 상기 대물렌즈(20)의 대면에 대해 상하 방향으로 움직이며 상기 스캔에 따른 시료 높이 변화를 보정하는 보정부(미도시)를 더 포함할 수 있다.The scan controllers 65 and 75 move the stage 29 on which the sample 21 is seated in a vertical direction with respect to the surface of the objective lens 20, and correct the sample height change according to the scan ( Not shown) may be further included.
상기 스캔 제어부(65,75)는 자동 초점 조정 센서 등을 구비하여 시료를 안착시키는 스테이지(29)를 대물렌즈(20)와 대면하여 움직이며 스캔에 따른 시료 높이 변화를 감지하고 이를 보정하도록 구성할 수 있는 데, 이러한 경우 광원의 에텐듀를 최소화할 수 있어 라만 이미지의 분석 효율을 더욱 높일 수 있다.The scan controllers 65 and 75 may include an auto focus sensor to move the stage 29 on which the sample is placed to face the objective lens 20 to detect and correct a change in the sample height according to the scan. In this case, the etendue of the light source can be minimized, thereby further increasing the analysis efficiency of the Raman image.
또한, 상기 라만 분석 장치는 라만 분광뿐만 아니라, 추가 구성을 더 포함하여 구성하여 형광 패턴과 같은 광학 패턴을 더불어 분석하도록 하여 다차원 다중 분석의 결과 신뢰도를 더욱 향상하도록 구성할 수도 있다.In addition, the Raman analysis apparatus may be configured to further include not only Raman spectroscopy, but also additional configurations to analyze optical patterns such as fluorescent patterns to further improve the reliability of the results of multidimensional multiple analysis.
한편, 상기 분광부(50)는 라만 스펙트럼의 피크치를 고려하여 가시광선 영역 중 타 파장 대역에 비해 500 나노미터에서 600 나노미터 사이에서 최고의 양자 효율(Quantum Efficiency)를 갖는 CCD(Charged Coupled Device)를 포함하여 구성하는 것이 바람직하지만, 시료의 조건에 따라 다른 파장 영역을 사용할 수 있다.Meanwhile, the spectroscope 50 considers a CCD (Charged Coupled Device) having the highest quantum efficiency (Quantum Efficiency) between 500 nanometers and 600 nanometers compared to other wavelength bands in the visible light region in consideration of the peak value of the Raman spectrum. Although it is preferable to include and comprise, different wavelength range can be used according to the conditions of a sample.
더불어, 상기 라만 분석 장치는 종래의 X,Y축 갈보 미러를 이용하는 경우나 스테이지를 X,Y축으로 조정하는 방식에 비해 플립미러(80) 및 이를 구동, 제어하는 구성(60,70,65,75)이 매우 저렴하며 단일 구성으로 이루어져 크기를 줄일 수 있고 미러로만 X,Y축을 조절하는 경우에 비해 쉽게 대면적 스캔이 가능하도록 구성할 수 있으므로 탁상형 또는 일체형으로 소형화하는데 유리하다.In addition, the Raman analysis apparatus is configured to drive and control the flip mirror 80 and the like compared to the case of using a conventional X, Y axis galvo mirror or adjusting the stage to the X, Y axis (60, 70, 65, 75) is very inexpensive and can be configured in a single configuration so that the size can be reduced and it can be configured to easily scan a large area compared to the case of adjusting the X and Y axes only by the mirror, and thus it is advantageous to miniaturize it into a table or an integrated type.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 플립미러부(81)의 동작 예시도다.5 is a view illustrating an operation of the flip mirror unit 81 according to an embodiment of the present invention.
도시된 라만 분석 장치의 스캔 부분은 시료(21) 스캔을 통한 라만 맵의 생성 시에 점(스팟) 단위의 분광 정보 수신이 아닌 연속 정보 수신을 통해 정량 분석하도록 하여 노이즈를 줄이고 속도를 개선하도록 함과 아울러 이러한 동작 방식에 최적화된 스캐너 구조를 적용하여 비용과 크기를 줄이면서 검사 영역을 확장하여, 광범위 시료(21)에 존재하는 다수의 미량 생체 표지자를 대상으로 고속 정량분석이 가능하며 소형 시스템으로 저렴하게 구성할 수 있다.The scan portion of the illustrated Raman analysis apparatus quantitatively analyzes the continuous information reception instead of the spectral information reception in units of spots when generating the Raman map through the sample 21 to reduce noise and improve speed. In addition, by applying the scanner structure optimized for this operation method, the inspection area can be extended while reducing the cost and size, allowing for high-speed quantitative analysis of a large number of trace biomarkers in a wide range of samples (21). It can be configured inexpensively.
플립미러부(81)로 입사하는 광원의 광 경로(5)는 플립미러(80)의 가변 축의 회전 운동(71)과 타 축의 이동 운동(61)을 통해 대물렌즈(20)를 통과하여 스테이지(29)의 시료(21) 상에서 검사 영역 전체를 연속적으로 순차 스캔하도록 설정된다.The optical path 5 of the light source incident on the flip mirror unit 81 passes through the objective lens 20 through the rotational movement 71 of the variable axis of the flip-mirror 80 and the movement movement 61 of the other axis. 29 is set to continuously scan the entire inspection area sequentially on the sample 21.
특히, 본 발명의 라만 분석 장치는 도 5에 도시한 바와 같이, 플립미러부(80,81)를 단일로 구성하여 그 부피를 줄이며, 다중 분석의 특성상 라만 정보의 분포 정보가 상대적으로 더 중요한 점을 이용하여 X축(71)에 비해 Y축(61)이 저속이며 제어 정밀도가 다소 낮아도 상술한 본 발명의 연속 순차 스캔 방식의 특성 및 정량 분석에 대해서는 동일 성능을 유지할 수 있게 된다.In particular, as shown in FIG. 5, the Raman analysis apparatus of the present invention configures the flip mirror units 80 and 81 as a single unit to reduce its volume, and the distribution information of the Raman information is more important due to the characteristics of multiple analysis. Even if the Y-axis 61 is slower than the X-axis 71 and the control precision is slightly lower than that of the X-axis 71, the same performance can be maintained for the characteristics and quantitative analysis of the continuous sequential scanning method of the present invention described above.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 시료 영상 스캔의 예시도다.6 is an exemplary view of a sample image scan according to an embodiment of the present invention.
도 6을 참조하면, 상기 라만 분석 장치는 시료를 스캔할 때, 일 축은 고속으로 타 축은 상기 일 축에 비해 저속으로 이동하며 시료를 스캐닝(23)한다.Referring to FIG. 6, when the Raman analysis apparatus scans a sample, one axis moves at a high speed and the other axis moves at a lower speed than the one axis, and scans the sample 23.
특히, 나노 분광학을 이용한 진단 시약 후보군 탐색 및 다중 질병의 진단을 위해서는 탐색의 대상 수가 1차원의 표지 기술의 한계를 넘어서므로, 다차원 다중 표지 기술을 활용해야 한다.In particular, in order to search for candidate candidates for diagnosis and diagnosis of multiple diseases using nano spectroscopy, the number of search targets exceeds the limit of one-dimensional labeling technology.
이러한 다차원 다중 표지 기술에서의 표지 및 탐색 작업은 수백만 개까지의 후보 물질을 표지하거나 탐색할 수도 있으므로, 그 스캔 속도 및 시료 영상에서의 노이즈의 감소가 매우 중요하다.Labeling and searching operations in this multi-dimensional multiple labeling technique may label or search up to millions of candidate substances, so the reduction of the scan speed and noise in the sample image is very important.
또한, 상술한 바와 같이 다중 분석의 특성상 스팟별 라만 정보보다 전체적인 시료 상에서의 라만 정보의 분포 또는 패턴이 그 분석에 있어 더욱 중요하다.In addition, as described above, the distribution or pattern of Raman information on the entire sample is more important in the analysis than the Raman information for each spot due to the characteristics of the multiple analysis.
본 발명의 일 실시 예에 따른 라만 분석 장치는 하나 이상의 순차 스캔 구간에 대한 연속적 분광 정보를 한 번의 카메라 동작 기간 중 출력하는 특징적 구성을 통해 빠른 스캔과 정밀한 라만 정보의 패턴 분석이 가능하므로, 다차원 다중 표지자 분석 및 측정을 수행하는 나노 프로브, 진단 시약 및 다중 진단 분야에서 그 실효성이 매우 높다.The Raman analysis apparatus according to an embodiment of the present invention enables fast scan and precise pattern analysis of Raman information through a characteristic configuration that outputs continuous spectroscopic information on one or more sequential scan intervals during one camera operation period, thereby enabling multi-dimensional multiplexing. The effectiveness is very high in the field of nano probes, diagnostic reagents and multiple diagnostics for performing marker analysis and measurement.
또한, 다차원 다중 표지자에 대해 라만 분광 신호 패턴뿐만 아니라, 형광 ,그래픽, 광학 패턴을 복합적으로 분석하는 멀티플 신호를 고속 측정하거나 탐색할 수도 있다.In addition, it is possible to quickly measure or search for multiple-dimensional markers as well as Raman spectral signal patterns, as well as multiple signals for complex analysis of fluorescence, graphics, and optical patterns.
더불어, 도시된 방식의 스캔 형태 이외에도, 소정의 각도를 가지는 스캔 방식(예를 들어, 브라운관 TV의 비월 주사나 순차 스캔 형태)이나 영역을 분할하여 영역별로 순차 스캔하는 방식 등으로 다양하게 변경 가능하며, 이는 모두 본 발명의 범위에 속한다.In addition, in addition to the scan type of the illustrated method, it is possible to variously change the scan method having a predetermined angle (for example, interlaced scan or sequential scan type of CRT) or a method of dividing the area and sequentially scanning the areas. , All belong to the scope of the present invention.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 시료 영상과 스펙트럼의 예시도다.10 is an exemplary view of a sample image and a spectrum according to an embodiment of the present invention.
바람직한 실시 예로서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 라만 분석 장치는 상술한 바와 같이, 다차원 다중 표지자 분석 및 측정을 위한 라만 분석을 통해 시료 내 표지(1)를 빠른 스캔으로 검출하여 정밀한 라만 정보의 패턴 분석이 가능하다.As a preferred embodiment, the Raman analysis apparatus according to an embodiment of the present invention, as described above, detects the label 1 in the sample by rapid scan through Raman analysis for multi-dimensional multi-marker analysis and measurement, so as to provide accurate Raman information. Pattern analysis is possible.
바람직한 실시 예로서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 라만 분석 장치는 상술한 바와 같이, 다차원 다중 표지자 분석 및 측정을 위한 라만 분석을 통해 시료 내 표지(1)를 빠른 스캔으로 검출하여 정밀한 라만 정보의 패턴 분석이 가능하다. As a preferred embodiment, the Raman analysis apparatus according to an embodiment of the present invention, as described above, detects the label 1 in the sample by rapid scan through Raman analysis for multi-dimensional multi-marker analysis and measurement, so as to provide accurate Raman information. Pattern analysis is possible.
해당 시료는 0.5 mm * 0.5 mm 크기의 시료에 대한 것으로 532 nm의 레이저 광을 1.5 mW의 출력으로 조사하면서 Point scan 방식에 의한 라만 맵을 얻은 것이 도 10a의 이미지이다. The sample is about 0.5 mm * 0.5 mm sized sample, and the Raman map obtained by the point scan method while irradiating a laser light of 532 nm at 1.5 mW output is the image of Figure 10a.
이 경우 대면적의 시료를 빠짐없이 측정하는데 약 21분의 시간이 소요되었다. 하지만, 이미지 처리기능을 제거하고 대면적의 시료를 빠진 곳 없이 측정하는데 단 30초~2분의 시간이 소요되었으며 그 측정 결과가 도 10b와 같이 얻어졌다.In this case, it took about 21 minutes to measure a large area of the sample. However, it took only 30 seconds to 2 minutes to remove the image processing function and measure a large area of the sample without missing, and the measurement result was obtained as shown in FIG. 10B.
즉, 본 발명에서 제안한 방법을 사용하면 대면적의 시료를 빠진 곳 없이 공초점의 고효율 신호 수집 능력을 유지한 채 목적에 따라 측정시간을 희생하면서 이미징 기능을 최대화하거나 이미징 기능을 최소화하면서 측정시간을 최소화할 수 있다.In other words, using the method proposed in the present invention, the measurement time can be increased while maximizing the imaging function or minimizing the imaging function while sacrificing the measurement time according to the purpose while maintaining the high-efficiency signal collection capability of the confocal without missing a large-area sample. It can be minimized.
한편, 라만 신호는 상당히 미세한 신호이므로 정확한 판정을 위해서는 상당히 오랜 노출 시간이 요구되므로, 더욱 바람직한 실시 예로서 본 발명의 일 실시 예에 따른 라만 분석 장치의 상기 스캔 제어부(65,75)는 상기 시료에 대해 상기 순차 스캔 이전에 라만 방식이 아닌 형광 및 탄성 산란광 스캔 방식으로 상기 시료 내 표지(1)의 위치를 빠른 시간에 확인하는 프리 스캔(Pre-Scan)을 수행하도록 제어하고 이를 바탕으로 신호 발생부만을 재 스캔하는 방식으로 측정 시간을 단축하면서 S/N ratio를 극대화할 수 있다.On the other hand, since the Raman signal is a very fine signal, since a very long exposure time is required for accurate determination, the scan controllers 65 and 75 of the Raman analysis apparatus according to an embodiment of the present invention are more preferable. Before performing the sequential scan, control to perform a pre-scan to quickly determine the position of the label (1) in the sample by a fluorescence and elastic scattered light scanning method rather than a Raman method and based on this signal generation unit By rescanning the bay, the S / N ratio can be maximized while reducing measurement time.
예를 들어, 본 발명의 일 실시 예에 따른 라만 분석 장치는 시료 내 표지(1)의 위치만을 일차적으로 확인하기 위해 라만 방식이 아닌 상대적으로 시간이 덜 걸리는 방식으로 이차원 맵(2D MAP)을 작성하는 프리 스캔을 수행한 후, 상기 프리 스캔에 따라 표지의 존재가 확인된 위치(1)에 대해서 라만 측정을 수행하고 그 외의 부분(2)은 스킵하는 방식을 적용할 수 있다.For example, the Raman analysis apparatus according to an embodiment of the present invention creates a two-dimensional map (2D MAP) in a relatively less time-consuming manner rather than a Raman method to primarily identify only the position of the label 1 in the sample. After performing the pre-scan, the Raman measurement is performed on the position 1 where the presence of the label is confirmed according to the pre-scan, and the other part 2 may be skipped.
이러한 프리 스캔 방식의 예로서, 레이저를 이용하여 선형 광을 직접 확인하는 방식, 콘포컬 현미경으로 이미지를 얻는 방식, 표지에 형광을 적용하여 형광 이미지를 얻는 방식 혹은 비전을 통해서 2D 이미지를 얻는 방식 등 라만 방식에 비해 속도가 빠른 다양한 방식을 적용할 수 있다.Examples of such pre-scanning methods include a method of directly checking linear light using a laser, a method of obtaining an image with a confocal microscope, a method of obtaining a fluorescence image by applying fluorescence to a label, or a method of obtaining a 2D image through vision, etc. It is possible to apply various methods which are faster than Raman method.
실질적으로 표지가 없는 부분(2)이나 프리 스캔으로 걸러지지 않는 정도의 표지라면 실제 라만 측정을 적용하여도 노이즈로 인식될 수 있으므로, 본 발명의 일 실시 예에 따른 라만 분석 장치는 상술한 프리 스캔 방식의 적용을 통해 품질의 저하 없이 고속 측정을 수행할 수 있게 된다.If the cover 2 is substantially unmarked or not covered by the pre-scan, it may be recognized as noise even if the actual Raman measurement is applied. The application of the method allows for high-speed measurements without degrading the quality.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 빔 스캔 패턴의 예시도다.7 is an exemplary view of a beam scan pattern according to an embodiment of the present invention.
상술한 바와 같이, 상기 라만 분석 장치는 일 축이 타 축에 비해 저속으로 제어하여 플립미러부(81)를 이동시키면서 시료의 영상을 스캔한다. 물론, 이러한 스캔 패턴은 달라질 수도 있다.As described above, the Raman analysis apparatus scans an image of a sample while moving one of the flip mirror units 81 by controlling one axis at a lower speed than the other axis. Of course, this scan pattern may vary.
바람직한 실시 예로서, 상기 라만 분석 장치는 나노 프로브를 이용한 분석에 활용할 경우 상기 레이저 광원(10)으로서 상기 나노 프로브에 최적화된 500-550nm의 파장 영역을 갖는 레이저를 사용할 수 있다.According to a preferred embodiment, the Raman analysis apparatus may use a laser having a wavelength range of 500-550 nm optimized for the nano probes as the laser light source 10 when utilized in the analysis using the nano probes.
또한, in vivo 시료에 대해서는 상기 라만 분석 장치에 적외선 분광법을 활용할 수 있도록 근 적외선 레이저(Near Infrared Ray Laser)를 더 구성할 수도 있다.In addition, for in vivo samples, a near infrared ray laser may be further configured to utilize infrared spectroscopy in the Raman analyzer.
더불어, 상기 라만 분석 장치는 도 3에 도시한 각 구성을 모듈화하여 예를 들어, 각 모듈 간 정렬(Alignment)이 불필요하도록 구성하거나 업그레이드가 용이하도록 구성할 수도 있다.In addition, the Raman analysis apparatus may be configured to modularize each configuration shown in FIG. 3 so as not to require alignment between the modules, or to easily upgrade.
더욱 바람직하게는, 상기 라만 분석 장치는 상기 에지 필터(28)를 스톡스 산란에 적합하도록 구성하거나, 레이저 광원(10)을 교체식을 구성하여 레이저 교환이 쉽도록 구성할 수도 있다.More preferably, the Raman analysis device may be configured such that the edge filter 28 is suitable for Stokes scattering, or the laser light source 10 can be configured to replace the laser easily.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 시료 내 다수 생체 표지자를 정량 분석하는 라만 분석 방법의 순서도다.8 is a flow chart of a Raman analysis method for quantitatively analyzing a plurality of biological markers in a sample according to an embodiment of the present invention.
도 8을 참조하면, 상기 라만 분석 방법은 상기 라만 분석 장치의 플립미러부(81)가 레이저 광원(10)으로부터 제공되는 입사광을 반사시키며 일축에 대한 반사 경로를 기 설정된 범위의 속도로 가변시키는 단계(S10), 상기 라만 분석 장치의 엑추에이터부(60)가 상기 플립미러부(81)의 가변 축과 수직되는 타 축을 기준으로 상기 플립미러부(81)를 위치를 상기 플립미러부(81) 가변속도보다 느린 속도로 상기 플립미러부(81)의 동작에 동기시켜 가변시키는 단계(S20), 상기 라만 분석 장치의 스캔 제어부(65,75)가 상기 플립미러부(81)와 엑추에이터부(60)를 제어하여 대물렌즈(20)를 통해 상기 시료(21)에 제공되는 입사광이 검사 영역 중 적어도 일부 영역을 연속적으로 순차 스캔하도록 하는 단계(S30) 및 상기 라만 분석 장치의 분광부(50)가 상기 스캔 제어부(65,75)에 의해 입사광이 상기 검사 영역을 순차 스캔하면서 발생되는 상기 복수 종류의 생체 표지자에 의한 라만 신호가 혼합된 반사광을 기 설정된 광 경로를 통해 입력받아 해당 반사광에 대한 분광 정보를 카메라(40)를 통해 출력하되, 시료별로 설정된 하나 이상의 순차 스캔 구간에 대한 연속적 분광 정보를 한 번의 카메라 동작 기간 중 출력하는 단계(S40)를 포함한다.Referring to FIG. 8, in the Raman analysis method, the flip-mirror unit 81 of the Raman analysis apparatus reflects incident light provided from the laser light source 10 and varies the reflection path on one axis at a speed in a predetermined range. (S10), the actuator unit 60 of the Raman analysis device is variable to the flip mirror unit 81 to position the flip mirror unit 81 on the other axis perpendicular to the variable axis of the flip mirror unit 81 In step S20, the control unit 65 and 75 of the Raman analysis apparatus are configured to synchronize the flip mirror unit 81 with the operation of the flip mirror unit 81 at a slower speed than that of the flip mirror unit 81 and the actuator unit 60. To control the incident light provided to the sample 21 through the objective lens 20 to sequentially scan at least a portion of the inspection area (S30) and the spectroscopic unit 50 of the Raman analysis device is By the scan control unit 65,75 While the incident light is sequentially scanned the Raman signal generated by the plurality of types of biomarkers generated by scanning the inspection area receives the reflected light through a predetermined optical path and outputs the spectroscopic information on the reflected light through the camera 40, And outputting continuous spectroscopic information on one or more sequential scan sections set for each sample during one camera operation period (S40).
또 다른 바람직한 실시 예로서, 상기 라만 분석 방법은 시료에 존재하는 복수 종류의 미량 생체 표지자 정보를 일괄 수집 분석하는 라만 분석 장치의 라만 분석 방법으로서, 상기 연속적 분광 정보를 분포 및 계수 정보를 포함하는 라만 맵의 형태로 분석하여 분석 결과를 도출하는 단계를 포함한다.According to another preferred embodiment, the Raman analysis method is a Raman analysis method of a Raman analysis device for collectively collecting and analyzing a plurality of types of trace biomarker information present in a sample, wherein the Raman analysis method includes the Raman analysis including distribution and coefficient information. Analyzing in the form of a map to derive the analysis results.
이때, 상기 분석 결과 도출 단계는 다차원 표지 기술을 기반으로 진단 시약의 후보군을 탐색하고 그 분석 결과를 도출하는 것일 수 있다.At this time, the step of deriving the analysis result may be to search for a candidate group of diagnostic reagents based on the multi-dimensional labeling technology and derive the analysis result.
또는, 상기 라만 분석 방법은 상기 라만 맵 상의 정보를 기초로 다차원 다중 표지자 분석 및 측정을 통해 복수 질병에 대한 개별적 발병 가능성을 동시에 분석하는 다중 정량 진단을 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.Alternatively, the Raman analysis method may further include performing a multi-quantitative diagnosis of simultaneously analyzing individual cases of multiple diseases through multi-dimensional multiple marker analysis and measurement based on the information on the Raman map.
이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시 예들로 시료 내 존재하는 다수 생체 표지자를 분석 대상으로 하는 라만 분석 장치 및 방법을 설명하였으나 이는 반도체 웨이퍼에 대한 시료 내에 존재하는 크랙이나 이물을 검색 대상으로 하거나 나노 재료 등과 같은 미세 시료의 특정 물질을 검색 대상으로 하는 등의 다양한 산업용 생산품의 분석에도 활용될 수 있어 실시예와 같이 생체 표지자 분석을 위한 장치 및 방법으로 한정 해석되지 아니하며, 특허 청구의 범위에서 첨부하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능할 것이다.As described above, the Raman analysis apparatus and method for analyzing a plurality of biomarkers present in a sample as an object of analysis are described as a target for searching for cracks or foreign substances present in a sample for a semiconductor wafer or nanomaterials. It can be used in the analysis of various industrial products, such as to search for a specific material of a fine sample, such as, etc., and is not limited to the apparatus and method for the analysis of the biomarker as in the embodiment, and the present invention Various modifications can be made by those skilled in the art without departing from the gist of the invention.

Claims (10)

  1. 광영역 시료에 존재하는 복수 종류의 검색 대상 정보를 일괄 수집 분석하는 라만 분석 장치로서,A Raman analysis device for collectively collecting and analyzing a plurality of types of search target information present in a wide-area sample,
    레이저 광원으로부터 제공되는 입사광을 반사시키며 일축에 대한 반사 경로를 기 설정된 범위의 속도로 가변시키는 플립미러부;A flip-mirror unit for reflecting the incident light provided from the laser light source and varying a reflection path with respect to one axis at a speed in a preset range;
    상기 플립미러부의 가변 축과 수직되는 타 축을 기준으로 상기 플립미러부를 위치를 상기 플립미러부 가변속도보다 느린 속도로 상기 플립미러부의 동작에 동기시켜 가변시키는 엑추에이터부;An actuator unit configured to vary the position of the flip mirror unit in synchronization with an operation of the flip mirror unit at a speed slower than the flip mirror unit variable speed with respect to another axis perpendicular to the variable axis of the flip mirror unit;
    상기 플립미러부와 엑추에이터부를 제어하여 대물렌즈를 통해 상기 시료에 제공되는 입사광이 검사 영역 중 적어도 일부 영역을 연속적으로 순차 스캔하도록 하는 스캔 제어부;및A scan controller configured to control the flip mirror unit and the actuator unit to sequentially scan at least a portion of an inspection region from incident light provided to the sample through an objective lens; and
    상기 스캔 제어부에 의해 입사광이 상기 검사 영역을 순차 스캔하면서 발생되는 상기 복수 종류의 검색 대상에 의한 라만 신호가 혼합된 반사광을 기 설정된 광 경로를 통해 입력받아 해당 반사광에 대한 분광 정보를 카메라를 통해 출력하되, 시료별로 설정된 하나 이상의 순차 스캔 구간에 대한 연속적 분광 정보를 한 번의 카메라 동작 기간 중 출력하는 분광부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 광영역 시료를 고속 정량 분석하는 라만 분석 장치.The spectroscopic information on the reflected light is output through the camera by receiving the reflected light in which the Raman signals generated by the plurality of types of search targets are mixed through the camera by the scanning control part while sequentially scanning the inspection area. However, the Raman analysis device for a high-speed quantitative analysis of a wide-area sample comprising a; spectroscope for outputting the continuous spectroscopic information for one or more sequential scan intervals set for each sample during one camera operation period.
  2. 제 1항에 있어서,The method of claim 1,
    상기 검색 대상은 산업용 제조품이거나 의료용 생체 표지자인 것을 특징으로 하는 광영역 시료를 고속 정량 분석하는 라만 분석 장치.The search target is a Raman analysis device for high-speed quantitative analysis of a wide-area sample, characterized in that the industrial manufacturing or medical biomarker.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 엑추에이터부는The method of claim 1, wherein the actuator unit
    소형 모터, 피에조 엑추에이터, 초음파 엑추에이터를 포함하는 선형 제어 가능한 범용 구동부 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 광영역 시료를 고속 정량 분석하는 라만 분석 장치.Raman analysis device for high-speed quantitative analysis of a wide-area sample comprising a linear controllable universal drive structure including a small motor, piezo actuator, ultrasonic actuator.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 플립미러부는The method of claim 1, wherein the flip mirror unit
    보이스 코일 모터나 MEMS 구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광영역 시료를 고속 정량 분석하는 라만 분석 장치.Raman analysis device for high-speed quantitative analysis of a wide-area sample comprising a voice coil motor or a MEMS driver.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 스캔 제어부는The method of claim 1, wherein the scan control unit
    상기 시료를 안착시키는 스테이지를 상기 대물렌즈의 대면에 대해 상하 방향으로 움직이며 상기 스캔에 따른 시료 높이 변화를 보정하는 보정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광영역 시료를 고속 정량 분석하는 라만 분석 장치.And a correction unit configured to move the stage on which the sample is seated in a vertical direction with respect to the surface of the objective lens, and to correct a change in the sample height according to the scan.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 분광부는The method of claim 1, wherein the spectroscopic portion
    500 나노미터에서 600 나노미터 사이에서 최고의 양자 효율(Quantum Efficiency)를 갖는, 또는 다른 광학 영역에서 최대 효율을 갖는 CCD를 포함하는 광영역 시료를 고속 정량 분석하는 라만 분석 장치.Raman analysis device for high-speed quantitative analysis of a wide range sample including a CCD having the highest quantum efficiency between 500 nanometers and 600 nanometers, or the maximum efficiency in another optical domain.
  7. 제 1항에 있어서, The method of claim 1,
    상기 장치 요소들의 최적화를 통하여 탁상형이며 일체형인 것을 특징으로 하는 광영역 시료를 고속 정량 분석하는 라만 분석 장치.Raman analysis device for high-speed quantitative analysis of the wide-area sample, characterized in that the table-like and integral through the optimization of the device elements.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 시료는The method of claim 1, wherein the sample
    상기 플립 미러부와 엑튜에어터부가 서로 영향을 주지 않아 공초점 광학계의 고효율 집광을 하면서도 시료 면적이 1 제곱 밀리미터 이상인 것을 특징으로 하는 광영역 시료를 고속 정량 분석하는 라만 분석 장치.The Raman analysis device for high-speed quantitative analysis of a wide-area sample, characterized in that the sample area is more than 1 square millimeter while the high efficiency condensing of the confocal optical system does not affect the flip mirror unit and the actuator unit.
  9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항의 라만 분석 장치를 이용한 시료 내 검색 대상을 고속 정량 분석하는 라만 분석 방법에 있어서,In the Raman analysis method for high-speed quantitative analysis of the search target in the sample using the Raman analysis device of any one of claims 1 to 8,
    a) 상기 연속적 분광 정보를 기 설정된 분포 및 계수 정보를 포함하는 라만 맵의 형태로 분석하여 분석 결과를 도출하는 단계;를 포함하는 광영역 시료를 고속 정량 분석하는 라만 분석 방법.a) analyzing the continuous spectroscopic information in the form of a Raman map including predetermined distribution and coefficient information to derive an analysis result; a Raman analysis method comprising a high-speed quantitative analysis of a sample of a wide area.
  10. 제 9항에 있어서,The method of claim 9,
    상기 검색 대상이 생체 표지자인 경우 다차원 다중 표지자 분석 및 측정을 통해 상기 라만 맵 상의 정보를 기초로 복수 질병에 대한 개별적 발병 가능성을 동시에 분석하는 다중 정량 진단을 수행하는 b)단계를 더 포함하는 광영역 시료를 고속 정량 분석하는 라만 분석 방법.And b) performing a multi-quantitative diagnosis for simultaneously analyzing individual cases of multiple diseases based on the information on the Raman map through the analysis and measurement of multi-dimensional multi-label markers when the search target is a biomarker. Raman analysis method for rapid quantitative analysis of samples.
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