WO2022010037A1 - 표면 플라즈몬 공명을 이용한 형광 증폭 장치 및 광 증폭 장치 - Google Patents

표면 플라즈몬 공명을 이용한 형광 증폭 장치 및 광 증폭 장치 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a fluorescence amplification device using surface plasmon resonance, and more particularly, to a fluorescence amplification device for amplifying fluorescence generated from a fluorescent material using surface plasmon resonance.
  • the present invention relates to an optical amplifying device using surface plasmon resonance, and more particularly, to an amplifying device for amplifying incident light using surface plasmon resonance.
  • fluorescence is used in various fields such as medical diagnostic tests, biomaterial labels, light sources such as fluorescent tubes, imaging, research on inorganic/organic properties such as semiconductors, cosmic ray detection, mineralogy, environmental monitoring, etc. is being applied in
  • the fluorescent molecules are photochemically unstable and are subjected to photolysis (photo-blenching). There is also the problem of degradation).
  • the fluorescence signal emitted in all directions from the fluorescence molecule is collected using an optical collector (objective lens with high aberration or aspherical lens).
  • an optical collector objective lens with high aberration or aspherical lens.
  • PMT photomultiplier tube
  • an embodiment of the present invention provides a fluorescence amplification device using surface plasmon resonance that has high sensitivity and can measure fluorescence by amplifying a fluorescence signal using the surface plasmon effect.
  • an embodiment of the present invention is to provide an optical amplification apparatus using surface plasmon resonance that has high sensitivity and can measure fluorescence by amplifying a fluorescence signal using the surface plasmon effect.
  • the fluorescence amplification device using surface plasmon resonance may include: a light source emitting a first light; a first filter unit formed to remove noise of the first light; a fluorescence amplifier receiving the first light to generate fluorescence and amplifying the fluorescence using surface plasmon resonance to generate a second light; a second filter unit formed to remove noise of the second light; a lens unit formed to collect the second light in one direction; and a measuring unit measuring the amount of fluorescence by measuring the second light.
  • the light source may be formed of an LED that emits the first light having a central value of 470 nm.
  • the first filter unit may be formed to remove a first noise that is the noise of the first light having an error of at least 10 nm based on 470 nm of the first light.
  • the fluorescent amplifying unit may include a fluorescent layer formed to include a fluorescent material; an insulator layer formed under the fluorescent layer; a plating layer formed under the insulator layer; and a dielectric layer formed under the plating layer.
  • the fluorescent layer may be formed by mixing a fluorescent material with a SiO2 solution (Tesol) and then performing spin coating on the insulator layer.
  • the fluorescent layer may be formed to include a plurality of silver (Ag) nanoparticles having a diameter of 100 nm or less.
  • the fluorescent layer may have a thickness of 170 nm to 240 nm.
  • the silver nanoparticles may receive the first light to generate scattered light, thereby generating a local surface plasmon resonance effect.
  • the fluorescent material may be formed of Rho110.
  • the non-conductive layer may be formed of magnesium fluoride (MgF2) to a thickness of 10 nm.
  • MgF2 magnesium fluoride
  • the plating layer may be formed of silver (Ag) with a thickness of 50 nm.
  • the dielectric layer may be formed of transparent glass for passage of the second light.
  • the fluorescence amplifier may use the phosphor layer and the insulator layer as an optical waveguide in order to generate a surface plasmon resonance effect.
  • the fluorescence amplifying unit may convert the first light into the second light, which is the amplified fluorescence, by using the local surface plasmon resonance and the surface plasmon resonance effect.
  • the second filter unit may be formed to remove a second noise, which is the noise, of the second light having an error of at least 10 nm based on 525 nm of the second light.
  • the lens unit may be formed of an aspherical convex lens or a composite lens.
  • an optical amplification device using surface plasmon resonance may include: a light source emitting a first light; a first lens unit formed on a lower side of the light source and configured to collect the first light in a direction opposite to the light source; a first filter unit formed on a lower side of the first lens unit and formed to remove noise of the first light; an amplifying unit receiving the first light and generating a surface plasmon effect to generate a second light that is the amplified light; a second lens unit formed to collect the second light in one direction; a second filter unit formed in a traveling direction of the second light passing through the second lens unit and provided to remove noise of the second light; and a measuring unit formed in a traveling direction of the second light passing through the second filter unit and configured to measure the intensity of the second light, wherein the amplifying unit includes: a dielectric layer made of glass; a first plating layer formed of chromium
  • the traveling direction of the second light may be a lateral direction of the amplifying unit, and the second lens unit, the second filter unit, and the measuring unit may be sequentially formed in the lateral direction.
  • a surface other than the inclined surface of the prism is coupled to the lower part of the amplification unit, the traveling direction of the second light is the inclined surface direction of the prism, and the second lens unit and the second filter unit in the inclined direction and the measuring unit may be sequentially formed.
  • an antibody of troponin I (TnI) binds to the second plating layer over a second time, and troponin I including the phosphor binds to the secondary antibody of troponin I, and the It may be formed of a phosphor.
  • the first plating layer may have a thickness of about 2 nm
  • the optical waveguide layer may have a thickness of about 50 nm
  • the second plating layer may have a thickness of about 2 nm.
  • the first light may be emitted from the light source formed of an LED, and may have a central wavelength of 470 nm, and the second light may be emitted from the amplifying unit and have a central wavelength of 525 nm.
  • the first filter unit may be formed to remove a wavelength out of a range of 450 nm to 490 nm among the first light by determining it as a first noise.
  • the second filter unit may be formed to remove a wavelength out of a range of 500 nm to 550 nm among the second light by determining it as a second noise.
  • the first lens unit may be formed as a collimator lens having one surface formed in a convex shape to collect the first light into a focal point.
  • the second lens unit may be formed of a convex lens that collects the second light in one direction.
  • a diaphragm unit formed between the first filter unit and the amplifying unit to adjust the amount of light of the first light from which the first noise is removed may be further included.
  • An ND filter unit capable of collectively filtering the amount of light of the second light from which the second noise has been removed between the second filter unit and the measuring unit may be further included.
  • the amplifying unit may further include a polydimethylsiloxane (PDMS) layer in which a material having a dielectric constant of 1.35 to 1.45 is formed in a pyramid shape under the dielectric layer.
  • PDMS polydimethylsiloxane
  • emulsion oil may be used to couple the prism and the measuring unit.
  • the fluorescence amplification apparatus using surface plasmon resonance amplifies fluorescence generated from a fluorescent material so that the measurement sensor can measure a greater amount of fluorescence than the conventional one.
  • the fluorescence amplification apparatus using surface plasmon resonance has an effect of reducing noise generated by using a filter.
  • the light amplification apparatus using surface plasmon resonance has the effect of amplifying fluorescence generated from a fluorescent material so that the measurement sensor can measure a larger amount of fluorescence than the conventional one.
  • the optical amplification apparatus using surface plasmon resonance according to an embodiment of the present invention has an effect of reducing noise generated by using a filter.
  • FIG. 1 is a diagram showing the configuration of a fluorescence amplification device using surface plasmon resonance according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view showing various configurations of a fluorescence amplifying unit in a fluorescence amplifying apparatus using surface plasmon resonance according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a view showing various experimental results of a fluorescence amplification apparatus using surface plasmon resonance according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram showing the configuration of a) L mode and b) P mode of an optical amplification device using surface plasmon resonance according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram schematically illustrating the configuration of an amplifying unit of an optical amplifying device using surface plasmon resonance according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a diagram briefly illustrating a process of binding a secondary antibody to an amplification unit of an optical amplification device using surface plasmon resonance according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a view showing various experimental results of an optical amplification device using surface plasmon resonance according to an embodiment of the present invention.
  • the fluorescence amplification apparatus 100 using surface plasmon resonance includes a light source 110 , a first filter unit 120 , a fluorescence amplification unit 130 , and a second filter. It is formed to include the unit 140 , the lens unit 150 , and the measurement unit 160 .
  • the light source 110 is formed to generate and emit the first light to the first filter unit 120 (A).
  • the light source 110 may be formed of an LED to generate a first light, and the first light may be preferably a blue light series visible light having a central value of 470 nm.
  • the first filter unit 120 is formed to receive the first light and remove noise.
  • the first filter unit 120 is provided in the downward direction of the light source 110, which is the traveling direction of the first light. When the first light passes through the first filter unit 120, the first noise included in the first light is removed. It can be configured to remove.
  • the light source 110 generates visible light of a blue light series of 470 nm as the first light
  • the first light does not have a single wavelength of 470 nm and includes noise of various wavelengths. Since this noise may have an effect when the fluorescence amplifying unit 130 to be described later generates fluorescence, the first light having the minimum noise must move to the fluorescence amplifying unit 130 .
  • the first filter unit 120 preferably allows only light of 460 nm to 480 nm to pass through so as to remove a wavelength having an error of at least 10 nm or more as the first noise based on 470 nm, which is the central value of the first light. It may be formed as a filter.
  • the first light passes through the first filter unit 120 and the first noise is removed, so that the light having a blue wavelength of 460 nm to 480 nm may be incident on the fluorescence amplifier 130 (B).
  • the fluorescence amplifying unit 130 is provided below the first filter unit 120 and in the traveling direction of the first light.
  • the fluorescence amplifier 130 receives the first light to generate fluorescence as the second light, and is formed to amplify the second light using a surface plasmon resonance effect (C), preferably, the fluorescence amplifier 130 has a 470 nm
  • C surface plasmon resonance effect
  • the first blue light having a wavelength as a central value may be converted into a green second light having a wavelength of 525 nm as a central value.
  • the fluorescence amplifier 130 may use the internal configuration shown in FIGS. 2A to 2D, which will be described later.
  • the second filter unit 140 is provided under the fluorescence amplification unit 130 in the traveling direction of the second light, and is formed to receive the second light and remove noise.
  • the second filter unit 140 may be formed to remove the second noise included in the second light when the second light passes through the second filter unit 140 .
  • the fluorescence amplifier 130 uses the first light to generate the green light series visible light having a wavelength of 525 nm as the central value as the second light
  • the second light does not have a single wavelength of 525 nm and noise of various wavelengths is generated. Included. Since this noise affects the process of measuring the amount of fluorescence by the measuring unit 160 to be described later, the second light having the minimum noise must move to the measuring unit 160 .
  • the second filter unit 140 preferably allows only light of 515 nm to 535 nm to pass through so that a wavelength having an error of at least 10 nm or more can be removed as a second noise based on 525 nm, which is the center value of the second light. It may be formed as a filter.
  • the second light passes through the second filter unit 140 and the second noise is removed, so that the light having a green wavelength of 515 nm to 535 nm may be incident on the lens unit 150 (D).
  • the lens unit 150 is formed to receive the second light and collect the second light in the focal direction. To this end, the lens unit 150 is provided in the lower direction of the second filter unit 140, which is the propagation direction of the second light, and may be formed of an aspherical convex lens or a composite lens having one convex side.
  • the second light incident on the other side of the lens unit 150 changes its traveling direction in the focal direction of the lens unit 150 while passing through the lens unit and proceeds to gather together (E).
  • the measurement unit 160 is formed to acquire the second light and measure the amount of fluorescence.
  • the measuring unit 160 may be provided under the lens unit 150, which is the traveling direction of the second light, and is preferably formed near the focal point of the lens unit 150, thereby passing through the lens unit 150. It may be formed to obtain the second light as much as possible.
  • FIGS. 2A to 2D the configuration of the fluorescence amplifier according to an embodiment of the present invention is shown in FIGS. 2A to 2D.
  • 2A is a dielectric layer, an insulator layer, and a fluorescent layer, which are the basic components of the fluorescence amplifier
  • FIGS. 2B to 2D are other examples of the fluorescence amplification unit formed for experimental comparison by modifying FIG. 2A.
  • FIG. 2A shows the fluorescence amplifying unit is formed of a dielectric layer and a fluorescent layer
  • FIG. 2B is a fluorescent amplifying unit formed of silver nanoparticles included in the dielectric layer, the fluorescent layer, and the fluorescent layer
  • FIG. 2C shows the fluorescent amplifying unit is formed of a dielectric layer, a metal layer, an insulator layer and It is formed of a fluorescent layer
  • FIG. 2D shows that the fluorescent amplification part is formed of silver nanoparticles included in the dielectric layer, the metal layer, the insulator layer, the fluorescent layer, and the fluorescent layer.
  • each configuration is a Non-SPCE structure in which surface plasmon resonance does not occur
  • Figure 2b is a Localized Surface Plasmon Resonance (LSPR) structure in which local surface plasmon resonance occurs
  • Figure 2c is a surface It is a SPCE structure in which only plasmon resonance occurs
  • FIG. 2D is an LSPR + SPCE structure in which both local surface plasmon resonance and surface plasmon resonance occur.
  • FIG. 2A FIG.
  • the fluorescent layer 221 is formed.
  • the fluorescent layer 221 may be formed on the dielectric layer 211 using spin coating.
  • the fluorescent layer 221 may receive the first light incident on the upper side to form a second light that is fluorescence and emit the second light toward the lower side, and the emitted second light is used to form the fluorescent layer 221 .
  • the fluorescence amplifier 130 may pass through the dielectric layer 211 generated for the purpose.
  • the intensity of the second light may be determined according to the fluorescence efficiency of the fluorescence constituting the fluorescent layer 221 .
  • the fluorescent amplifier 130 is formed of a dielectric layer 212 , a fluorescent layer 222 , and silver nanoparticles 232 included in the fluorescent layer 222 .
  • FIG. 2B shows a structure in which silver nanoparticles 232 are included in the fluorescent layer 221 in the configuration of FIG. 2A .
  • the phosphor layer 222 and the silver nanoparticles 232 are formed on the dielectric layer 212 using spin coating, and the silver nanoparticles 232 are uniformly distributed in the phosphor layer 222 due to the spin coating.
  • the fluorescent layer 222 may receive the first light incident on the upper side to form a second light that is fluorescence and emit the second light toward the lower side, and the emitted second light is used to form the fluorescent layer 222 .
  • the fluorescence amplifier 130 may pass through the dielectric layer 212 created for the purpose.
  • the silver nanoparticles 232 included in the fluorescent layer 222 may generate the amplified second light using local surface plasmon resonance.
  • the silver nanoparticles 232 vibrate when the light passes through the fluorescent layer 222 , and a strong electric field with a radius of about 30 nm is generated by the vibrations of the silver nanoparticles 232 .
  • the silver nanoparticles 232 emit scattered light of 470 nm during the vibration process, and the fluorescent layer 222 may generate the second light, which is amplified fluorescence, by further using the scattered light as well as the first light.
  • the generated second light may pass through the dielectric layer 212 through the lower portion of the fluorescent layer 222 and exit the fluorescent amplification unit 130.
  • FIG. 2B is, compared to FIG. 2A, silver nano Since the scattered light generated during the vibration process of the particles 232 is further used, the second light having a larger amount of light can be emitted compared to FIG. 2A .
  • the fluorescent amplifier 130 is formed of a dielectric layer 213 , a metal layer 243 , an insulator layer 253 , and a fluorescent layer 223 .
  • the fluorescent layer 223 may be formed on the insulator layer 253 by spin coating.
  • the fluorescent layer 223 receives the first light toward the upper side, and uses a SPCE structure using a non-conductive layer 253 formed under the fluorescent layer 223 and a metal layer 243 formed under the non-conductive layer 253 .
  • the first light may be amplified to generate the second light, which is the amplified fluorescence, and the generated second light may be emitted downward.
  • the insulator layer 253 and the fluorescent layer 223 serve as an optical waveguide capable of generating surface plasmon resonance in this structure.
  • the fluorescence amplifier 130 is a silver nano-included dielectric layer 214, a metal layer 244, an insulator layer 254, a phosphor layer 224, and a phosphor layer 224. It is formed of particles 234 .
  • FIG. 2D shows a structure in which silver nanoparticles 234 are included in the fluorescent layer 223 in the configuration of FIG. 2C .
  • the phosphor layer 224 and the silver nanoparticles 234 are formed on the dielectric layer 214 using spin coating, and the silver nanoparticles 234 are uniformly distributed in the phosphor layer 224 due to the spin coating.
  • the fluorescent layer 224 may receive the first light incident on the upper side to form a second light that is fluorescence and emit the second light toward the lower side, and the emitted second light is used to form the fluorescent layer 224 .
  • the fluorescence amplifier 130 may pass through the dielectric layer 214 provided for this purpose.
  • the silver nanoparticles 234 included in the fluorescent layer 224 may generate the amplified second light using local surface plasmon resonance.
  • the silver nanoparticles 234 vibrate when the light passes through the fluorescent layer 224 , and a strong electric field with a radius of about 30 nm is generated by the vibration of the silver nanoparticles 234 .
  • the silver nanoparticles 234 emit scattered light of 470 nm during the vibration process, and the fluorescent layer 224 may generate the second light, which is amplified fluorescence, by further using the scattered light as well as the first light.
  • the fluorescent layer 224 uses the SPCE structure using the non-conductive layer 254 formed below and the metal layer 244 formed below the non-conductive layer 254 to amplify the first light and generate the second light, which is the fluorescence. and the generated second light may be emitted toward the lower side.
  • the insulator layer 254 and the fluorescent layer 224 serve as an optical waveguide capable of generating surface plasmon resonance in this structure.
  • the fluorescence amplifier 130 shown in FIG. 2D is fluorescence amplified using both local plasmon resonance and surface plasmon resonance compared with Non-SPCE of FIG. 2A, LSPR of FIG. 2B, and SPCE of FIG. 2C. Since the second light is generated, it is possible to provide a higher amount of fluorescence than the fluorescence amplifier 130 of FIGS. 2A to 2C .
  • the thickness of the optical waveguide must be set to meet the conditions. Therefore, in the present invention, an experiment was performed to confirm the efficiency of the configuration of FIGS. 2A to 2D and further check the efficiency for each configuration according to the thickness.
  • Tables 2 to 5 show experiments in which the optical efficiency and the enhancement factor of the fluorescence amplifier of FIGS. 2A to 2D were obtained when the content of SiO 2 contained in the phosphor was 20%, 30%, 40% and 50%, respectively. It is the result.
  • Table 2 shows the results of experiments using a fluorescence amplifying part having a SiO 2 content of 20% and a thickness of 140.7 nm in the phosphor.
  • Table 3 shows the experimental results using the fluorescence amplifier having a SiO 2 content of 30% and a thickness of 159.4 nm in the phosphor.
  • Table 4 shows the results of experiments using a fluorescence amplification unit having a SiO 2 content of 40% and a thickness of 198.6 nm in the phosphor.
  • Table 5 shows the experimental results using the fluorescence amplifier having a SiO 2 content of 50% and a thickness of 259.3 nm of the phosphor. Looking at the experimental results of Tables 2 to 5, the concentrations of the phosphor are 80%, 70%, 60%, and 50 %, but the effective amount of light does not decrease even when the concentration of the phosphor is decreased. Therefore, in the results of this experiment, it was determined that the concentration of the phosphor was not a variable that was large enough to affect the change in the effective amount of light.
  • the thickness of the fluorescent layer gradually increased to 140.7 nm, 159.4 nm, 198.6 nm, and 259.3 nm.
  • a graph of the experimental results according to the increase in thickness is shown in FIG. 3A .
  • the results of this experiment show that, in the case of the structure of FIG. 2A, which is a non-SCPE structure, the difference in effective light amount due to thickness can hardly be confirmed, but in the case of the structure of FIG. 2B, which is an LSPR structure, as the thickness increases, It was confirmed that the effective light amount increased.
  • the fluorescent layer having a thickness of 198.6 nm recorded a higher effective light quantity than the case of the fluorescent layer having a thickness of 259,3 nm in both the SPCE structure and the LSPR+SPCE structure.
  • the resonance ratio is a value proportional to the Q-factor (Quality-factor) of the surface plasmon resonance, and means a ratio at which surface plasma resonance can occur, and a higher value means that the surface plasma resonance occurs more easily.
  • the surface plasma resonance of the first light which is 470 nm, increases as the thickness of the fluorescent layer increases to 160 nm or more. .
  • the surface plasma resonance of the second light which is 525 nm, has a peak around 195 nm after the thickness of the fluorescent layer increases rapidly after exceeding 180 nm, and then decreases to converge to a certain value in the range exceeding 240 nm. .
  • the thickness of the optical waveguide must satisfy a specific drainage condition that can generate surface plasmon resonance in order for surface plasmon resonance to occur effectively. It can be confirmed that having the fluorescent layer having a thickness between 160 nm and 200 nm can expect the highest surface plasmon resonance effect.
  • the fluorescence amplifier of the most preferred embodiment of the present invention has the LSPR+SPCE structure of FIG. 2D and the thickness of the fluorescent layer 224 may be 170 nm to 240 nm. .
  • FIG. 4 is a diagram showing the configuration of a) L mode and b) P mode of an optical amplification device using surface plasmon resonance according to an embodiment of the present invention
  • FIG. It is a diagram briefly showing the configuration of the amplification unit of the optical amplification device
  • FIG. 6 is a diagram schematically illustrating the process of binding the secondary antibody to the amplification unit of the optical amplification device using surface plasmon resonance according to an embodiment of the present invention.
  • the optical amplification device using surface plasmon resonance may be formed in a) L mode or b) P mode.
  • the optical amplification apparatus 400 using surface plasmon resonance includes a light source 410 , a first lens unit 420 , a first filter unit 430 , an amplification unit 440 , and a second lens. It is formed to include a unit 450 , a second filter unit 460 , and a measurement unit 470 .
  • the light source 410 is formed to emit the first light in one direction (A).
  • the first light may be a visible light of a blue light series having a central wavelength value of 470 nm, and the light source 410 may be preferably formed of a blue LED for this purpose.
  • the first lens unit 420 is formed on the lower side of the light source 410 .
  • the first lens unit 420 is formed to collect the first light emitted from the light source 410 , and is preferably formed in a convex shape on one side to direct the first light in the focal direction of the first lens unit 420 . It can be formed into a collimator lens that collects (B).
  • the first filter unit 430 is formed on the lower side of the first lens unit 420 .
  • the first filter unit 430 is formed to receive the first light that passes through the first lens unit 420 and is collected in the focal direction of the first lens unit 420 to remove noise (C).
  • the first filter unit 430 may be provided to remove the first noise included in the first light while the first light passes through the first filter unit 430 .
  • the light source 410 generates visible light of a blue light series of 470 nm as the first light
  • the first light does not have a single wavelength of 470 nm and includes noise of various wavelengths. Since such noise may affect the generation of fluorescence in the amplifying unit 440 to be described later, the first light having the minimum noise must move to the amplifying unit 440 .
  • the first filter unit 430 preferably allows only light of 450 nm to 490 nm to pass through so as to remove a wavelength having an error of at least 20 nm or more as the first noise based on 470 nm, which is the central value of the first light. It may be formed as a filter.
  • the first filter unit 430 is formed to pass only the wavelengths included in the range of 450 nm to 490 nm among the first light and filter the wavelengths of the remaining lengths as the first noise.
  • the first light passes through the first filter unit 430 and the first noise is removed, so that the light having a blue wavelength of 450 nm to 490 nm may be incident on the amplification unit 440 (B).
  • the amplifying unit 440 is formed below the first filter unit 430 and in the traveling direction of the first light.
  • the amplifying unit 440 receives the first light from which the first noise has been removed through the first filter unit 430 to generate fluorescence as the second light, and amplifies the second light by using the surface plasmon resonance effect.
  • the amplifying unit 440 may convert the first blue light having a wavelength of 470 nm as a central value into a green second light having a wavelength of 525 nm as a central value.
  • the amplifying unit 440 may use the configuration shown in FIG. 5 .
  • the amplifying unit 440 includes a dielectric layer 510 , a first plating layer 520 , an optical waveguide layer 530 , a second plating layer 540 and a phosphor layer ( 550) is formed.
  • the dielectric layer 510 is provided as a base for forming the first plating layer 520 to the phosphor layer 550 .
  • the dielectric layer 510 may be formed of a material having a refractive index of 1.45 to 1.55.
  • the first plating layer 520 is formed on the dielectric layer 510
  • the optical waveguide layer 530 is formed on the first plating layer 520
  • the second plating layer 540 is formed on the optical waveguide layer 530 . It is formed on the upper portion, and the phosphor layer 550 is formed to be coupled to the upper portion of the second plating layer 540 .
  • the amplifying unit 440 receives the first light and passes through the phosphor layer 550 to generate the second light having a different central wavelength, and the first plating layer 520 and the second plating layer 540 .
  • a surface plasmon effect may be generated using the optical waveguide layer 530 formed therebetween to pass through the phosphor layer 550 and the generated second light may be amplified.
  • the amplifying unit 440 is preferably formed of a dielectric layer 510 made of glass, a first plating layer 520 is formed of chromium, an optical waveguide layer 530 is formed of silver, and a second plating layer 540 is formed of silver. ) may be formed of gold.
  • the first plating layer 520 is formed to be about 2 nm
  • the optical waveguide layer 530 is formed to about 50 nm
  • the second plating layer 540 is formed to about 2 nm.
  • the phosphor layer 550 may be formed to be coupled to the upper side of the second plating layer 540 .
  • the phosphor layer 550 is formed while a secondary antibody, ie, a secondary antibody, of troponin I (TnI) containing a phosphor is coupled to the upper side of the second plating layer 540 .
  • a secondary antibody ie, a secondary antibody, of troponin I (TnI) containing a phosphor
  • FIG. 6 A simple sequence in which the phosphor layer 550 is formed is illustrated in FIG. 6 .
  • the phosphor layer according to an embodiment of the present invention, performing a cystamine treatment on the surface of the second plating layer (S610), binding the primary antibody of troponin I and performing the primary PBS washing step (S620), performing a second PBS washing after treatment with PBS containing a BSA protein of a certain concentration (S630), performing a troponin I treatment and performing a third PBS washing (S640) and It is generated using a step (S650) of binding a secondary antibody of troponin I bound to a phosphor and performing post-treatment.
  • a cystamine treatment for 2 hours is performed on the surface of the second plating layer to form a branch (S-NH2) for connection to the second plating layer (step S610), After treating the Tn I primary antibody at 4° C. for 90 minutes, primary PBS washing is performed (step S620) to bind the primary antibody to NH2 formed at one end of the branch.
  • the second plating layer is treated in a PBS solution containing 3% concentration of BSA protein for 15 minutes, and then a second PBS washing is performed (step S630) so that the BSA protein is deposited on the surface of the second plating layer, 30 minutes Formed to bind Tn I to the primary antibody through Tn I treatment and tertiary PBS washing (step S640).
  • the amplification unit was incubated at 37°C for 1 hour to form a phosphor layer by binding the secondary antibody of Tn I bound to the phosphor with Tn I, followed by 4th PBS washing and drying at 37°C for 15 minutes as post-treatment. performed (step S650).
  • the amplifying unit may form a phosphor layer on the second plating layer, and preferably, the phosphor layer may be formed of a phosphor called Alexa-488, whereby the phosphor layer is a blue series having a wavelength of 470 nm as a center value. may be converted into the green-based second light having a wavelength of 525 nm as a central value.
  • the amplifying unit 440 according to an embodiment of the present invention is formed to receive the first light and generate the amplified second light.
  • the optical amplification apparatus 400 using surface plasmon resonance may be formed in a) L mode and b) P mode as described above with reference to FIG. 4 .
  • the L mode shown in FIG. 4A is a mode in which the second lens unit 450 , the second filter unit 460 , and the measurement unit 470 are formed on the side surface of the amplifying unit 440 , and P shown in FIG. 4B .
  • the mode is a mode in which a prism is formed on the lower surface of the amplifying unit 440 , and the second lens unit 450 , the second filter unit 460 , and the measuring unit 470 are formed as an inclined surface of the prism.
  • the second lens unit 450 is formed on the side surface of the amplifying unit 440 in the L mode, and is formed on the inclined side of the amplifying unit 440 in the P mode.
  • the second lens unit 450 may be formed to receive the second light and collect the second light in the focal direction.
  • the second lens unit 450 may be formed of an aspherical convex lens or a compound lens having one convex side, and the second light incident on the second lens unit 450 is silver (D) and the second lens unit 450 . ), the moving direction is changed in the focal direction of the second lens unit 450 to gather together (E).
  • the second filter unit 460 is provided in the focal direction of the second lens unit 460, which is the traveling direction of the second light, and is formed to receive the second light and remove noise.
  • the second filter unit 460 may be formed to remove the second noise included in the second light when the second light passes through the second filter unit 460 .
  • the amplifying unit 440 uses the first light to generate visible light of a green light series having a wavelength of 525 nm as a central value as the second light, the second light does not have a single wavelength of 525 nm and noise of various wavelengths is generated. Included. Since this noise affects the process of measuring the amount of fluorescence in the measuring unit 470 to be described later, the second light having the minimum noise must move to the measuring unit 470 .
  • the second filter unit 460 preferably allows only light of 500 nm to 550 nm to pass through so as to remove a wavelength having an error of at least 25 nm or more as a second noise based on 525 nm, which is the center value of the second light. It may be formed as a filter.
  • the second light passes through the second filter unit 460 and the second noise is removed, so that light having a green wavelength of 500 nm to 550 nm may be incident on the measuring unit 470 (F).
  • the measurement unit 470 is formed to acquire the second light and measure the amount of fluorescence. To this end, the measuring unit 470 may be provided on one side of the second filter unit 460 in the traveling direction of the second light.
  • the order of the first lens unit 420 and the first filter unit 430 is reversed or the second lens unit 450 is configured.
  • the second filter unit 460 are configured in a different order, since the same operation and result as in the embodiment of the present invention can be obtained, the order is not limited to the embodiment.
  • the optical amplification device 400 using surface plasmon resonance may use immersion oil to couple the prism to the lower portion of the amplification unit 440 , and the measurement unit 470 . ) may be formed to further include an ND filter on the front side.
  • a plurality of pyramid-shaped silicon additives may be further formed under the dielectric layer 510 .
  • FIG. 7 shows the results of a comparative experiment on the final photometric quantity using the optical amplification device using surface plasmon resonance and a general device for measuring fluorescence without using surface plasmon resonance according to an embodiment of the present invention.
  • Table 6 below is a simulation result according to whether surface plasmon resonance is used in L mode
  • Table 7 below is a simulation result according to whether surface plasmon resonance is used in P mode.
  • the Tn I concentration was set to 0.01, 0.05, 0.25, and 0.50 pg/mL, respectively, and the experiment was carried out.
  • Non-SPCE in which surface plasmon resonance does not occur at each concentration hereinafter referred to as NS
  • SPCE an embodiment of the present invention, hereinafter referred to as S
  • each 10 measurements were performed.
  • the light source 410 is The applied current was fixed at 400mA, the voltage was fixed at 0.5V, and a filter having an OD of 2.0 was used as the ND filter.
  • Tn I was In the case of detection, light amounts not exceeding 2.5 mV, such as 2.4267, 1.85052, 1.92905, and 1.31687 mV, were detected at each concentration.
  • Tn I when Tn I is detected using the S structure, which is a structure according to an embodiment of the present invention, light amounts of about 7 mV to 36 mV, such as 6.91903, 22.33841, 32.21718, and 36.44144 mV, were detected at each concentration.
  • the optical amplification device using surface plasmon resonance according to an embodiment of the present invention exhibits a significantly higher amount of fluorescence than the conventional device not using surface plasmon resonance, which is the result of the present invention. It is an experimental result that supports that the composition has a superior effect than the conventional one.

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Abstract

표면 플라즈몬 공명을 이용한 형광 증폭 장치 및 광 증폭 장치가 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 형광 증폭 장치는 제1광을 발광하는 광원, 제1광의 노이즈를 제거하도록 형성되는 제1필터부, 제1광을 전달받아 형광을 생성하고 표면 플라즈몬 공명을 이용하여 형광을 증폭하여 제2광을 생성하는 형광증폭부, 제2광의 노이즈를 제거하도록 형성되는 제2필터부, 제2광을 일 방향으로 수집하도록 형성되는 렌즈부 및 제2광을 측정하여 형광량을 측정하는 측정부를 포함한다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 증폭 장치는 제1광을 발광하는 광원, 광원의 하부측에 형성되며, 제1광을 광원의 반대 방향으로 수집하도록 형성되는 제1렌즈부, 제1렌즈부의 하부측에 형성되며, 제1광의 노이즈를 제거하도록 형성되는 제1필터부, 제1광을 전달받아 표면 플라즈몬 효과를 발생시켜 증폭된 광인 제2광을 생성하는 증폭부, 제2광을 일 방향으로 수집하도록 형성되는 제2렌즈부, 제2렌즈부를 통과한 제2광의 진행 방향으로 형성되며, 제2광의 노이즈를 제거하도록 구비되는 제2필터부 및 제2필터부를 통과한 제2광의 진행 방향으로 형성되며, 제 2광의 세기를 측정하도록 형성되는 측정부를 포함하며, 증폭부는, 유리로 형성되는 유전체층, 유전체층의 상부에 크롬으로 형성되는 제1도금층, 제1도금층의 상부에 은으로 형성되는 광 도파로 층, 광 도파로 층의 상부에 금으로 형성되는 제2도금층 및 제2도금층에 결합하는 물질에 포함된 형광체로 형성되는 형광체층을 포함하며, 제2광의 진행 방향에 따라 L 모드 또는 P 모드로 형성된다.

Description

표면 플라즈몬 공명을 이용한 형광 증폭 장치 및 광 증폭 장치
본 발명은 표면 플라즈몬 공명을 이용한 형광 증폭 장치에 관한 것으로, 특히, 표면 플라즈몬 공명을 이용하여 형광물질에서 발생하는 형광을 증폭하는 형광 증폭 장치에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 증폭 장치에 관한 것으로, 특히, 표면 플라즈몬 공명을 이용하여 입사광을 증폭하는 증폭 장치에 관한 것이다.
현재, 형광은 의료 진단 검사, 바이오 물질의 표지(label), 형광관과 같은 광원, 이미징(imaging), 반도체 등 무기/유기물성의 연구, 우주선(cosmic ray) 검출, 광물학, 환경 감시 등 다양한 분야에서 응용되고 있다.
그러나, 이러한 다양한 분야에서 응용되는 일반적인 형광기법은 주로 자외선(UV)이나 파장이 짧은 가시광선 영역의 청색광 계열을 여기(excitation) 광원으로 사용하기 때문에 슬라이드 글라스, 물 또는 기타 유/무기 물질 등에서 원치 않게 자가형광(autofluorescence)이 발생할 수 있으며, 이러한 자가형광은 형광의 신호 대 잡음 비율(signal-to-noise ratio)를 악화시키는 문제점이 존재한다.
또, 여기된 형광분자 사이의 상호작용으로 인해서 발생하는 광표백(photo-blenching) 효과로 인하여 형광 염료를 높은 농도로 사용하거나 강한 여기 광원을 사용하는 경우 형광 분자가 광화학적으로 불안정하여 광분해(photo-degradation)하게 되는 문제점도 존재한다.
또한, 형광분자에서 사방으로 발산하는 형광 신호를 광학 수집기(높은 수차를 갖는 대물렌즈 또는 비구면 렌즈)를 이용하여 채집하는데, 일반적인 경우 약 1%의 낮은 채집 효율을 가지므로, 혈액을 이용한 다채널 분석 등의 미량의 타겟 물질을 검출해야 하는 경우, 광전 증폭관(PMT, PhotoMultiplier Tube)등과 같이 검출 신호 증폭 기술을 갖춘 고가의 광전자 검출기를 사용하여야 하는 문제점이 존재한다.
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예는 표면 플라즈몬 효과를 이용하여 형광 신호를 증폭함으로써 높은 감도를 가지며 형광을 측정할 수 있는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 형광 증폭 장치를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 표면 플라즈몬 효과를 이용하여 형광 신호를 증폭함으로써 높은 감도를 가지며 형광을 측정할 수 있는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 증폭 장치를 제공하고자 한다.
위와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 표면 플라즈몬 공명을 이용한 형광 증폭 장치가 제공된다. 상기 표면 플라즈몬 공명을 이용한 형광 증폭 장치는, 제1광을 발광하는 광원; 상기 제1광의 노이즈를 제거하도록 형성되는 제1필터부; 상기 제1광을 전달받아 형광을 생성하고 표면 플라즈몬 공명을 이용하여 상기 형광을 증폭하여 제2광을 생성하는 형광증폭부; 상기 제2광의 노이즈를 제거하도록 형성되는 제2필터부; 상기 제2광을 일 방향으로 수집하도록 형성되는 렌즈부; 및 상기 제2광을 측정하여 형광량을 측정하는 측정부;를 포함하도록 형성된다.
상기 광원은 중심값이 470nm인 상기 제1광을 발광하는 LED로 형성될 수 있다.
상기 제1필터부는, 상기 제1광을 470nm를 기준으로 최소 10nm 이상의 오차를 가지는 상기 제1광의 상기 노이즈인 제1노이즈를 제거하도록 형성될 수 있다.
상기 형광증폭부는, 형광 물질을 포함하도록 형성된 형광층; 상기 형광층의 하부에 형성되는 부도체층; 상기 부도체층의 하부에 형성되는 도금층; 및 상기 도금층의 하부에 형성되는 유전체층;을 포함하도록 형성될 수 있다.
상기 형광층은, SiO2 용액(Tesol)에 형광물질을 섞은 후 상기 부도체층 위에 스핀코팅을 수행하여 형성될 수 있다.
상기 형광층은, 100nm 이하의 직경을 가지는 복수의 은(Ag) 나노 입자를 포함하도록 형성될 수 있다.
상기 형광층은, 두께가 170nm 내지 240nm로 형성될 수 있다.
상기 은 나노 입자는, 상기 제1광을 전달받아 산란광을 생성하여 국소 표면 플라즈몬 공명 효과를 생성할 수 있다.
상기 형광 물질은 Rho110으로 형성될 수 있다.
상기 부도체층은, 플루오린화 마그네슘(MgF2)이 10nm의 두께로 형성될 수 있다.
상기 도금층은, 은(Ag)이 50nm의 두께로 형성될 수 있다.
상기 유전체층은, 상기 제2광의 통과를 위해 투명한 유리로 형성될 수 있다.
상기 형광증폭부는, 표면 플라즈몬 공명 효과를 발생시키기 위해 상기 형광체층 및 상기 부도체층을 광 도파로로 이용할 수 있다.
상기 형광증폭부는, 상기 국소 표면 플라즈몬 공명 및 상기 표면 플라즈몬 공명 효과를 이용하여 상기 제1광을 상기 증폭된 형광인 상기 제2광으로 변환하여 생성할 수 있다.
상기 제2필터부는, 상기 제2광을 525nm를 기준으로 최소 10nm 이상의 오차를 가지는 상기 제2광의 상기 노이즈인 제2노이즈를 제거하도록 형성될 수 있다.
상기 렌즈부는, 비구면 볼록렌즈 또는 복합 렌즈로 형성될 수 있다.
위와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 증폭 장치가 제공된다. 상기 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 증폭 장치는, 제1광을 발광하는 광원; 상기 광원의 하부측에 형성되며, 상기 제1광을 상기 광원의 반대 방향으로 수집하도록 형성되는 제1렌즈부; 상기 제1렌즈부의 하부측에 형성되며, 상기 제1광의 노이즈를 제거하도록 형성되는 제1필터부; 상기 제1광을 전달받아 표면 플라즈몬 효과를 발생시켜 증폭된 광인 제2광을 생성하는 증폭부; 상기 제2광을 일 방향으로 수집하도록 형성되는 제2렌즈부; 상기 제2렌즈부를 통과한 상기 제2광의 진행 방향으로 형성되며, 상기 제2광의 노이즈를 제거하도록 구비되는 제2필터부; 및 상기 제2필터부를 통과한 상기 제2광의 진행 방향으로 형성되며, 상기 제 2광의 세기를 측정하도록 형성되는 측정부;를 포함하며, 상기 증폭부는, 유리로 형성되는 유전체층; 상기 유전체층의 상부에 크롬으로 형성되는 제1도금층; 상기 제1도금층의 상부에 은으로 형성되는 광 도파로 층; 상기 광 도파로 층의 상부에 금으로 형성되는 제2도금층; 및 상기 제2도금층에 결합하는 물질에 포함된 형광체로 형성되는 형광체층;을 포함하도록 형성되며, 상기 제2광의 진행 방향에 따라 L 모드 또는 P 모드로 형성된다.
상기 L 모드는, 상기 제2광의 진행 방향이 상기 증폭부의 측면 방향이며, 상기 측면 방향으로 상기 제2렌즈부, 상기 제2필터부 및 상기 측정부가 순서대로 형성될 수 있다.
상기 P 모드는, 프리즘의 빗면이 아닌 다른 면이 상기 증폭부의 하부에 결합되며, 상기 제2광의 진행방향이 상기 프리즘의 빗면 방향이며, 상기 빗면 방향으로 상기 제2렌즈부, 상기 제2필터부 및 상기 측정부가 순서대로 형성될 수 있다.
상기 형광체층은, 트로포닌 I(Troponin I, TnI)의 항체가 2차에 걸쳐 상기 제2도금층에 결합하며, 상기 형광체를 포함하는 트로포닌 I가 상기 트로포닌 I의 2차 항체에 결합하여 상기 형광체로 형성될 수 잇다.
상기 제1도금층은, 2nm 내외로 형성되며, 상기 광 도파로 층은, 50nm 내외로 형성되고, 상기 제2도금층은, 2nm 내외로 형성될 수 있다.
상기 제1광은 LED로 형성되는 상기 광원으로부터 방출되며, 중심 파장값이 470nm로 형성되고, 상기 제2광은, 상기 증폭부로부터 방출되며, 중심 파장값이 525nm로 형성될 수 있다.
상기 제1필터부는, 상기 제1광 중 450nm 내지 490nm의 범위를 벗어나는 파장을 제1노이즈로 판단하여 제거하도록 형성될 수 있다.
상기 제2필터부는, 상기 제2광 중 500nm 내지 550nm의 범위를 벗어나는 파장을 제2노이즈로 판단하여 제거하도록 형성될 수 있다.
상기 제1렌즈부는, 일 면이 볼록한 형태로 형성되어 상기 제1광을 초점으로 모이도록 하는 콜리메이터 렌즈로 형성될 수 있다.
상기 제2렌즈부는, 상기 제2광을 일 방향으로 모이도록 하는 컨벡스 렌즈로 형성될 수 있다.
상기 제1필터부와 상기 증폭부 사이에 상기 제1노이즈가 제거된 상기 제1광의 광량을 조절하도록 형성되는 조리개부;를 더 포함할 수 있다.
상기 제2필터부와 상기 측정부 사이에 상기 제2노이즈가 제거된 상기 제2광의 광량을 일괄적으로 필터링 할 수 있는 ND 필터부;를 더 포함할 수 있다.
상기 증폭부는, 상기 유전체층 하부에 1.35 내지 1.45의 유전율을 가지는 물질이 복수개의 피라미드 형태로 형성되는 실리콘 첨가제(Polydimethylsiloxane, PDMS)층을 더 포함할 수 있다.
상기 P 모드는, 상기 프리즘과 상기 측정부를 결합하기 위해 이멀젼 오일을 사용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 형광 증폭 장치는 형광 물질에서 발생하는 형광을 증폭시켜 측정 센서가 종래보다 많은 양의 형광을 측정하도록 할 수 있는 효과가 있다.
또, 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 형광 증폭 장치는, 필터를 이용하여 생성되는 노이즈를 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 증폭 장치는 형광 물질에서 발생하는 형광을 증폭시켜 측정 센서가 종래보다 많은 양의 형광을 측정하도록 할 수 있는 효과가 있다.
또, 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 증폭 장치는, 필터를 이용하여 생성되는 노이즈를 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 형광 증폭 장치의 구성을 나타낸 도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 형광 증폭 장치 중 형광증폭부의 다양한 구성을 나타낸 도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 형광 증폭 장치의 다양한 실험 결과를 나타낸 도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 증폭 장치의 a) L 모드 및 b) P 모드의 구성을 나타낸 도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 증폭 장치의 증폭부의 구성을 간단히 나타낸 도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 증폭 장치의 증폭부에 2차 항체가 결합하는 과정을 간단히 나타낸 도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 증폭 장치의 다양한 실험 결과를 나타낸 도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 형광 증폭 장치의 구성을 나타낸 도이다. 도 1을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 형광 증폭 장치(100)는, 광원(110), 제1필터부(120), 형광증폭부(130), 제2필터부(140), 렌즈부(150) 및 측정부(160)를 포함하도록 형성된다.
광원(110)은, 제1광을 생성하여 제1필터부(120)로 방출하도록 형성된다(A). 광원(110)은, 제1광을 생성할 수 있도록 LED로 형성될 수 있으며, 제1광은 바람직하게는 중심값이 470nm인 청색광 계열의 가시광선일 수 있다.
제1필터부(120)는, 제1광을 전달받아 노이즈를 제거하도록 형성된다. 제1필터부(120)는 제1광의 진행 방향인 광원(110)의 하부 방향에 구비되며, 제1광이 제1필터부(120)를 통과하면, 제1광에 포함된 제1노이즈를 제거하도록 형성될 수 있다.
광원(110)이 470nm인 청색광 계열의 가시광선을 제1광으로 생성하더라도, 제1광은 470nm의 단일파장을 갖지 않고 다양한 파장의 노이즈가 포함된다. 이러한 노이즈는 후술되는 형광증폭부(130)에서 형광을 생성할 때 영향을 줄 수 있기 때문에 최소한의 노이즈를 가지는 제1광이 형광증폭부(130)로 이동하여야 한다.
따라서, 제1필터부(120)는 바람직하게는 제1광의 중심값인 470nm를 기준으로 최소 10nm 이상의 오차를 가지는 파장을 제1노이즈로 하여 제거할 수 있도록, 460nm 내지 480nm의 광만 통과할 수 있는 필터로 형성될 수 있다.
이를 이용하여 제1광은 제1필터부(120)를 통과하면서 제1노이즈가 제거되어 460nm 내지 480nm인 청색 계열의 파장인 빛으로 형광증폭부(130)에 입사될 수 있다(B).
형광증폭부(130)는 제1필터부(120)의 하부이자 제1광의 진행방향에 구비된다. 형광증폭부(130) 제1광을 전달받아 제2광인 형광을 생성하고, 표면 플라즈몬 공명 효과를 이용하여 제2광을 증폭하도록 형성되며(C), 바람직하게는 형광증폭부(130)는 470nm 파장을 중심값으로 가지는 청색 계열의 제1광을 525nm 파장을 중심값으로 가지는 녹색 계열의 제2광으로 변환시킬 수 있다.
이를 위해 형광증폭부(130)는 후술될 도 2a 내지 도 2d에 도시되고 있는 내부 구성을 이용할 수 있다.
제2필터부(140)는, 제2광의 진행방향인 형광증폭부(130)의 하부에 구비되며, 제2광을 전달받아 노이즈를 제거하도록 형성된다. 제2필터부(140)는 제2광이 제2필터부(140)를 통과하면, 제2광에 포함된 제2노이즈를 제거하도록 형성될 수 있다.
여기서 형광증폭부(130)가 제1광을 이용하여 525nm 파장을 중심값으로 가지는 녹색광 계열의 가시광선을 제2광으로 생성하더라도, 제2광은 525nm의 단일파장을 갖지 않고 다양한 파장의 노이즈가 포함된다. 이러한 노이즈는 후술되는 측정부(160)에서 형광량을 측정하는 과정에 영향을 미치기 때문에 최소한의 노이즈를 가지는 제2광이 측정부(160)로 이동하여야 한다.
따라서, 제2필터부(140)는 바람직하게는 제2광의 중심값인 525nm를 기준으로 최소 10nm 이상의 오차를 가지는 파장을 제2노이즈로 하여 제거할 수 있도록, 515nm 내지 535nm의 광만 통과할 수 있는 필터로 형성될 수 있다.
이를 이용하여 제2광은 제2필터부(140)를 통과하면서 제2노이즈가 제거되어 515nm 내지 535nm인 녹색 계열의 파장인 빛으로 렌즈부(150)에 입사될 수 있다(D).
렌즈부(150)는, 제2광을 전달받아 초점 방향으로 제2광을 수집하도록 형성된다. 렌즈부(150)는 이를 위해 제2광의 진행방향인 제2필터부(140)의 하부 방향에 구비되며, 일 측이 볼록한 비구면 볼록렌즈 또는 복합렌즈로 형성될 수 있다.
렌즈부(150)의 타 측으로 입사된 제2광은, 렌즈부를 통과하면서 렌즈부(150)의 초점 방향으로 진행 방향이 변경되어 서로 모이도록 진행된다(E).
마지막으로, 측정부(160)는, 제2광을 획득하여 형광량을 측정하도록 형성된다. 이를 위해 측정부(160)는 제2광의 진행방향인 렌즈부(150)의 하부에 구비될 수 있으며, 바람직하게는 렌즈부(150)의 초점 부근에 형성됨으로써, 렌즈부(150)를 통과한 제2광을 최대한 획득하도록 형성될 수 있다.
한편, 도 2a 내지 도 2d에는 본 발명의 일 실시예에 따른 형광증폭부의 구성이 도시되고 있다. 도 2a는 형광증폭부의 기본 구성인 유전체층, 부도체층 및 형광층으로 형성되며, 도 2b 내지 도 2d는 도 2a를 변형하여 실험비교하기 위해 형성된 형광증폭부의 다른 예이다.
이하에서는 상술한 형광증폭부의 4가지 예 중 본 발명의 형광 증폭 장치의 효과를 극대화할 수 있는 최적의 형광측정부를 획득하기 위한 실험 결과에 대해 설명하도록 한다.
도 2a는 형광증폭부가 유전체층 및 형광층으로 형성되며, 도 2b는 형광증폭부가 유전체층, 형광층 및 형광층에 포함되는 은 나노 입자로 형성되고, 도 2c는 형광증폭부가 유전체층, 금속층, 부도체층 및 형광층로 형성되며, 도 2d는 형광증폭부가 유전체층, 금속층, 부도체층, 형광층 및 형광층에 포함되는 은 나노 입자로 형성된다.
먼저, 본 실험에서의 형광증폭부(130)를 구성하는 물질들의 유전율은 하기 표 1과 같이 나타난다.
물질 유전율
470nm 520nm
은(Ag, 금속층) -8.2568+0.23408i -11.168+0.28323i
플루오르화 마그네슘
(MgF2, 부도체층)		 2.0312 2.0266
실리콘(SiO2, 형광층) 2.1609 2.1533
유리
(soda lime glass-clear,
유전체층)		 2.3415 2.3311
또, 본 실험에서, 각각의 구성은 도 2a는 표면 플라즈몬 공명이 발생하지 않는 Non-SPCE 구조이며, 도 2b는 국소 표면 플라즈몬 공명이 발생하는 LSPR(Localized Surface Plasmon Resonance) 구조이고, 도 2c는 표면 플라즈몬 공명만 발생하는 SPCE 구조이며, 도 2d는 국소 표면 플라즈몬 공명과 표면 플라즈몬 공명이 모두 발생하는 LSPR + SPCE 구조이다.도 2a를 살펴보면, 도 2a는 형광증폭부(130)가 유전체층(211) 및 형광층(221)으로 형성된다. 이때, 형광층(221)은 스핀 코팅을 이용하여 유전체층(211)에 형성될 수 있다.
형광층(221)은, 상부측으로 입사되는 제1광을 전달받아 형광인 제2광을 형성하고 하부측으로 제2광을 방출할 수 있으며, 방출된 제2광은 형광층(221)을 형성하기 위해 생성된 유전체층(211)을 통과하여 형광증폭부(130)를 빠져나갈 수 있다.
이 과정에서 도 2a는, 특별한 증폭 구조가 존재하지 않기 때문에 형광층(221)을 구성하는 형광의 형광 효율에 따라 제2광의 세기가 결정될 수 있다.
다음으로, 도 2b를 살펴보면, 도 2b는 형광증폭부(130)가 유전체층(212), 형광층(222) 및 형광층(222)에 포함되는 은 나노 입자(232)로 형성된다. 도 2b는 도 2a의 구성 중 형광층(221)에 은 나노 입자(232)가 포함된 구조이다. 이때, 형광층(222) 및 은 나노 입자(232)는 스핀 코팅을 이용하여 유전체층(212)에 형성되며, 스핀 코팅으로 인해 은 나노 입자(232)는 형광층(222) 내부에 균일하게 분포될 수 있다.
형광층(222)은, 상부측으로 입사되는 제1광을 전달받아 형광인 제2광을 형성하고 하부측으로 제2광을 방출할 수 있으며, 방출된 제2광은 형광층(222)을 형성하기 위해 생성된 유전체층(212)을 통과하여 형광증폭부(130)를 빠져나갈 수 있다.
이때, 형광층(222)에 포함된 은 나노 입자(232)는 국소 표면 플라즈몬 공명을 이용하여 증폭된 제2광을 생성할 수 있다.
은 나노 입자(232)는, 빛이 형광층(222)을 지나는 과정에서 빛을 받아 진동하게되고, 은 나노 입자(232)의 진동으로 약 30nm 반경의 강력한 전기장이 생성된다.
은 나노 입자(232)는 진동과정에서 470nm의 산란광을 방출하게 되며, 형광층(222)은, 제1광뿐 아니라 산란광을 더 이용하여 증폭된 형광인 제2광을 생성할 수 있다.
생성된 제2광은, 형광층(222)의 하부를 통해 유전체층(212)을 통과하여 형광증폭부(130)를 빠져나갈 수 있으며, 이 과정에서 도 2b는, 도 2a과 비교하면, 은 나노 입자(232)의 진동 과정에서 생성된 산란광을 더 이용하기 때문에 도 2a에 비해 큰 광량을 가지는 제2광을 방출할 수 있다.
다음으로 도 2c를 살펴보면, 도 2c는 형광증폭부(130)가 유전체층(213), 금속층(243), 부도체층(253) 및 형광층(223)로 형성된다. 이때, 형광층(223)은, 부도체층(253)에 스핀 코팅을 이용하여 형성될 수 있다.
형광층(223)은, 상부측으로 제1광을 전달받으며, 형광층(223)의 하부에 형성된 부도체층(253) 및 부도체층(253)의 하부에 형성된 금속층(243)을 이용한 SPCE 구조를 이용하여 제1광을 증폭된 형광인 제2광을 생성하고, 생성된 제2광을 하부측으로 방출할 수 있다.
이러한 구조는 표면 플라즈몬 공명을 발생시킬 수 있는 광 도파로(Waveguide) 역할을 부도체층(253) 및 형광층(223)이 수행하기 때문이다.
마지막으로 도 2d를 살펴보면, 도 2d는, 형광증폭부(130)가 유전체층(214), 금속층(244), 부도체층(254), 형광층(224) 및 형광층(224)에 포함되는 은 나노 입자(234)로 형성된다.
도 2d는 도 2c의 구성 중 형광층(223)에 은 나노 입자(234)가 포함된 구조이다. 이때, 형광층(224) 및 은 나노 입자(234)는 스핀 코팅을 이용하여 유전체층(214)에 형성되며, 스핀 코팅으로 인해 은 나노 입자(234)는 형광층(224) 내부에 균일하게 분포될 수 있다.
형광층(224)은, 상부측으로 입사되는 제1광을 전달받아 형광인 제2광을 형성하고 하부측으로 제2광을 방출할 수 있으며, 방출된 제2광은 형광층(224)을 형성하기 위해 구비된 유전체층(214)을 통과하여 형광증폭부(130)를 빠져나갈 수 있다.
이때, 형광층(224)에 포함된 은 나노 입자(234)는 국소 표면 플라즈몬 공명을 이용하여 증폭된 제2광을 생성할 수 있다.
은 나노 입자(234)는, 빛이 형광층(224)을 지나는 과정에서 빛을 받아 진동하게 되고, 은 나노 입자(234)의 진동으로 약 30nm 반경의 강력한 전기장이 생성된다.
은 나노 입자(234)는 진동과정에서 470nm의 산란광을 방출하게 되며, 형광층(224)은, 제1광뿐 아니라 산란광을 더 이용하여 증폭된 형광인 제2광을 생성할 수 있다.
한편, 형광층(224)은 하부에 형성된 부도체층(254) 및 부도체층(254)의 하부에 형성된 금속층(244)을 이용한 SPCE 구조를 이용하여 제1광을 증폭된 형광인 제2광을 생성하고, 생성된 제2광을 하부측으로 방출할 수 있다.
이러한 구조는 표면 플라즈몬 공명을 발생시킬 수 있는 광 도파로(Waveguide) 역할을 부도체층(254) 및 형광층(224)이 수행하기 때문이다.
즉, 도 2d에 도시되고 있는 형광증폭부(130)는, 도 2a의 Non-SPCE, 도 2b의 LSPR, 도 2c의 SPCE와 비교하여 국소 플라즈몬 공명 및 표면 플라즈몬 공명을 모두 이용하여 증폭된 형광인 제2광을 생성하기 때문에 도 2a 내지 도 2c의 형광증폭부(130)보다 높은 형광량을 제공할 수 있다.
한편, 표면 플라즈몬 공명(SPCE)의 효율을 최대한으로 이용하기 위해서는 광 도파로의 두께가 조건에 맞도록 설정되어야 한다. 따라서, 본 발명에서는 도 2a 내지 도 2d의 구성의 효율을 확인하고, 두께에 따른 구성별 효율을 더 확인하는 실험을 수행하였다.
하기 표 2 내지 5는 각각 형광체에 포함된 SiO2의 함량이 20%, 30%, 40% 및 50%일 때 도 2a 내지 도 2d의 형광증폭부의 광효율 및 증폭팩터(Enhancement factor)를 획득한 실험 결과이다.
Normal
(도 2a)		 유효 광량[nW]
(Effective Power)		 53.75313
SD[nW] 0.01635
LSPR
(도 2b)		 유효 광량[nW]
(Effective Power)		 245.49847
SD[nW] 0.06126
SPCE
(도 2c)		 유효 광량[nW]
(Effective Power)		 283.11511
SD[nW] 0.06126
LSPR+SPCE
(도 2d)		 유효 광량[nW]
(Effective Power)		 304.30666
SD[nW] 0.33565
증폭 팩터
(Enhancement factor)		 LSPR/Normal 4.56715
SPCE/Normal 5.26695
(LSPR+SPCE)/Normal 5.66119
표 2는 형광체의 SiO2 함량이 20%이며, 두께가 140.7nm로 형성된 형광증폭부를 이용한 실험 결과이다.
Normal
(도 2a)		 유효 광량[nW]
(Effective Power)		 61.7113
SD[nW] 0.01601
LSPR
(도 2b)		 유효 광량[nW]
(Effective Power)		 252.27913
SD[nW] 0.06021
SPCE
(도 2c)		 유효 광량[nW]
(Effective Power)		 217.47111
SD[nW] 0.06021
LSPR+SPCE
(도 2d)		 유효 광량[nW]
(Effective Power)		 428.96168
SD[nW] 0.09577
증폭 팩터
(Enhancement factor)		 LSPR/Normal 408805
SPCE/Normal 3.52401
(LSPR+SPCE)/Normal 6.9511
표 3은 형광체의 SiO2 함량이 30%이며, 두께가 159.4nm로 형성된 형광증폭부를 이용한 실험 결과이다.
Normal
(도 2a)		 유효 광량[nW]
(Effective Power)		 67.3363
SD[nW] 0.02221
LSPR
(도 2b)		 유효 광량[nW]
(Effective Power)		 263.3073
SD[nW] 0.04044
SPCE
(도 2c)		 유효 광량[nW]
(Effective Power)		 2099.26483
SD[nW] 0.04044
LSPR+SPCE
(도 2d)		 유효 광량[nW]
(Effective Power)		 7676.9583
SD[nW] 0.06673
증폭 팩터
(Enhancement factor)		 LSPR/Normal 3.91033
SPCE/Normal 31.17583
(LSPR+SPCE)/Normal 114.00921
표 4는 형광체의 SiO2 함량이 40%이며, 두께가 198.6nm로 형성된 형광증폭부를 이용한 실험 결과이다.
Normal
(도 2a)		 유효 광량[nW]
(Effective Power)		 66.14673
SD[nW] 0.02425
LSPR
(도 2b)		 유효 광량[nW]
(Effective Power)		 281.61357
SD[nW] 0.04059
SPCE
(도 2c)		 유효 광량[nW]
(Effective Power)		 1790.52391
SD[nW] 0.04059
LSPR+SPCE
(도 2d)		 유효 광량[nW]
(Effective Power)		 5001.89344
SD[nW] 0.083
증폭 팩터
(Enhancement factor)		 LSPR/Normal 4.25741
SPCE/Normal 27.06897
(LSPR+SPCE)/Normal 75.61815
표 5는 형광체의 SiO2 함량이 50%이며, 두께가 259.3nm로 형성된 형광증폭부를 이용한 실험 결과이다.표 2 내지 5의 실험 결과를 살펴보면 형광체의 농도는 80%, 70%, 60% 및 50%로 점차 감소하지만, 유효 광량의 크기는 형광체의 농도가 감소하더라도 감소하지 않는 결과가 나타났다. 따라서, 본 실험 결과에서 형광체의 농도는 유효 광량의 변화에 영향을 미칠 정도로 큰 변인이 아닌 것으로 판단되었다.
한편, 그와 동시에 표 2 내지 5의 실험 결과에서, 형광층의 두께는 140.7nm, 159.4nm, 198.6nm 및 259.3nm로 점차 증가하였다. 이러한 두께 증가에 따른 실험 결과 그래프가 도 3a에 도시되고 있다.
도 3a를 참고하면, 본 실험 결과는, Non-SCPE 구조인 도 2a의 구조의 경우, 두께에 의한 유효 광량의 차이를 거의 확인할 수 없지만, LSPR 구조인 도 2b의 구조의 경우, 두께가 증가할수록 유효 광량이 증가하는 것으로 확인되었다.
또, SPCE 구조인 도 2c 구조의 경우, 표 2 및 표 3의 실험과 비교하여 표 4 및 표 5의 실험에서 매우 큰 폭으로 유효 광량이 증가한 것을 확인할 수 있었으며, LSPR + SPCE 구조인 도 2d 구조의 경우 도 2c 구조보다 더욱 큰 폭으로 유효 광량이 증가한 것을 확인할 수 있었다.
한편, 도 3a를 더 살펴보면, SPCE 구조 및 LSPR+SPCE 구조 모두 198.6nm 두께의 형광층의 경우가 259,3nm 두께의 형광층의 경우보다 높은 유효 광량을 기록한 것으로 확인되었다.
도 3b는 형광층의 두께에 따른 공명 비율을 나타낸 도이다. 여기서, 공명 비율은, 표면 플라즈몬 공명의 Q-factor(Quality-factor)에 비례하는 값으로 표면 플라즈마 공명이 발생할 수 있는 비율을 의미하며, 높은 값일수록 표면 플라즈마 공명이 잘 일어나는 것을 의미한다.
도 3b를 참고하면, 본 발명에서는, 470nm인 제1광의 표면 플라즈마 공명은 형광층의 두께가 160nm이상으로 갈수록 증가하다, 170nm 부근에서 피크를 기록하고 감소하여 200nm 이후로는 거의 일정하게 유지되도록 나타난다.
또, 525nm인 제2광의 표면 플라즈마 공명은, 형광층의 두께가 180nm를 초과하고부터 급격히 증가한 후 195nm부근에 피크가 존재하며 이후, 240nm를 초과하는 범위에서는 일정 값에 수렴하도록 감소하는 특성이 나타난다.
이러한 결과는, 표면 플라즈몬 공명이 효과적으로 발생하기 위해서는 광 도파로의 두께가 표면 플라즈몬 공명을 발생시킬 수 있는 특정 배수 조건을 만족하여야 하기 때문이며, 도 3b의 실험 결과를 토대로 본 발명의 LSPR+SPCE 구조는, 160nm 내지 200nm 사이의 두께를 가지는 형광층을 가지는 것이 가장 높은 표면 플라즈몬 공명 효과를 기대할 수 있다는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명 중 가장 바람직한 실시예의 형광증폭부는, 도 3의 실험 결과를 이용하면 도 2d의 구조인 LSPR+SPCE 구조를 가짐과 동시에 형광층(224)의 두께가 170nm 내지 240nm로 형성될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 증폭 장치의 a) L 모드 및 b) P 모드의 구성을 나타낸 도이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 증폭 장치의 증폭부의 구성을 간단히 나타낸 도이며, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 증폭 장치의 증폭부에 2차 항체가 결합하는 과정을 간단히 나타낸 도이다.
이하에서는 도 4 내지 도 6을 이용하여 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 증폭 장치에 대해 상세히 설명하도록 한다.
도 4를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 증폭 장치는 a) L 모드 또는 b) P 모드로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 증폭 장치(400)은 광원(410), 제1렌즈부(420), 제1필터부(430), 증폭부(440), 제2렌즈부(450), 제2필터부(460) 및 측정부(470)을 포함하도록 형성된다.
광원(410)은 제1광을 일 방향으로 방출하도록 형성된다(A). 제1광은 470nm의 중심 파장값을 가지는 청색광 계열의 가시광선일 수 있으며, 광원(410)은 바람직하게는 이를 위해 청색 LED로 형성될 수 있다.
제1렌즈부(420)는, 광원(410)의 하부측에 형성된다. 제1렌즈부(420)은 광원(410)에서 방출된 제1광을 수집하도록 형성되며, 바람직하게는 일 측이 볼록한 형태로 형성되어 제1광을 제1렌즈부(420)의 초점 방향으로 수집하는 콜리메이터 렌즈로 형성될 수 있다(B).
제1필터부(430)는, 제1렌즈부(420)의 하부측에 형성된다. 제1필터부(430)은 제1렌즈부(420)을 통과하여 제1렌즈부(420)의 초점 방향으로 수집되는 제1광을 전달받아 노이즈를 제거하도록 형성된다(C).
제1필터부(430)은 제1광이 제1필터부(430)을 통과하면서 제1광에 포함된 제1노이즈를 제거할 수 있도록 구비될 수 있다.
광원(410)이 470nm인 청색광 계열의 가시광선을 제1광으로 생성하더라도, 제1광은 470nm의 단일파장을 갖지 않고 다양한 파장의 노이즈가 포함된다. 이러한 노이즈는 후술되는 증폭부(440)에서 형광을 생성할 때 영향을 줄 수 있기 때문에 최소한의 노이즈를 가지는 제1광이 증폭부(440)로 이동하여야 한다.
따라서, 제1필터부(430)은 바람직하게는 제1광의 중심값인 470nm를 기준으로 최소 20nm 이상의 오차를 가지는 파장을 제1노이즈로 하여 제거할 수 있도록, 450nm 내지 490nm의 광만 통과할 수 있는 필터로 형성될 수 있다.
다시 말해 제1필터부(430)은 제1광중 450nm 내지 490nm의 범위에 포함되는 파장만 통과시키고 나머지 길이의 파장을 제1노이즈로 판단하여 필터링 하도록 형성된다.
이를 이용하여 제1광은 제1필터부(430)을 통과하면서 제1노이즈가 제거되어 450nm 내지 490nm인 청색 계열의 파장인 빛으로 증폭부(440)에 입사될 수 있다(B).
증폭부(440)은 제1필터부(430)의 하부이자 제1광의 진행방향에 형성된다. 증폭부(440)은 제1필터부(430)을 통과하여 제1노이즈가 제거된 제1광을 전달받아 제2광인 형광을 생성하고, 표면 플라즈몬 공명 효과를 이용하여 제2광을 증폭하도록 형성되며(D), 바람직하게는 증폭부(440)은 470nm의 파장을 중심값으로 가지는 청색 계열의 제1광을 525nm 파장을 중심값으로 가지는 녹색 계열의 제2광으로 변환시킬 수 있다.
이를 위해 증폭부(440)은 도 5에 도시되고 있는 구성을 이용할 수 있다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 증폭부(440)는, 유전체층(510), 제1도금층(520), 광 도파로층(530), 제2도금층(540) 및 형광체층(550)로 형성된다.
유전체층(510)은 제1도금층(520) 내지 형광체층(550)을 형성하기 위한 베이스로 구비된다. 이때, 유전체층(510)은 바람직하게는 굴절율이 1.45 내지 1.55인 물질로 형성될 수 있다.
제1도금층(520)은 유전체층(510)의 상부에 형성되며, 광 도파로층(530)은 제1도금층(520)의 상부에 형성되고, 제2도금층(540)은 광 도파로층(530)의 상부에 형성되며, 형광체층(550)은 제2도금층(540)의 상부에 결합하도록 형성된다.
이러한 구조를 통해 증폭부(440)는, 제1광을 전달받아 형광체층(550)을 통과시키며 중심 파장값이 다른 제2광을 생성하고, 제1도금층(520) 및 제2도금층(540) 사이에 형성되는 광 도파로층(530)을 이용하여 표면 플라즈몬 효과를 발생시켜 형광체층(550)을 통과하며 생성된 제2광을 증폭할 수 있다.
이때, 증폭부(440)은 바람직하게는 유전체층(510)은 유리로 형성되며, 제1도금층(520)은 크롬으로 형성되고, 광 도파로층(530)은 은으로 형성되며, 제2도금층(540)은 금으로 형성될 수 있다.
또, 높은 효율로 제2광을 증폭하기위해, 제1도금층(520)은 2nm 내외로 형성되고, 광 도파로층(530)은 50nm 내외로 형성되며, 제2도금층(540)은 2nm 내외로 형성될 수 있다.
형광체층(550)은 제2도금층(540)의 상부측에 결합되도록 형성될 수 있다. 형광체층(550)은, 형광체를 포함하고 있는 트로포닌 I(Troponin I, TnI)의 2차 안티 바디, 즉 2차 항체가 제2도금층(540)의 상부측에 결합되면서 형성된다.
이러한 형광체층(550)이 형성되는 간단한 순서가 도 6에 도시되고 있다. 도 6을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 형광체층은, 제2도금층 표면에 시스타민 처리를 수행하는 단계(S610), 트로포닌 I의 1차 항체를 결합하고 1차 PBS 워싱을 수행하는 단계(S620), 일정 농도의 BSA 단백질을 포함하는 PBS에 처리한 후 2차 PBS 워싱을 수행하는 단계(S630), 트로포닌 I 처리를 수행하고 3차 PBS 워싱을 수행하는 단계(S640) 및 형광체와 결합한 트로포닌 I의 2차 항체를 결합하고 후처리를 수행하는 단계(S650)을 이용하여 생성된다.
본 발명의 일 실시예에 다른 형광체층을 생성하기 위해서는 먼저 제2도금층 표면에 2시간의 시스타민 처리를 수행하여 제2도금층에 연결을 위한 가지(S-NH2)를 형성하며(단계 S610), 이후 Tn I 1차 항체를 4℃에서 90분동안 처리한 후 1차 PBS 워싱을 수행하여(단계 S620) 가지의 일 단에 형성된 NH2에 1차 항체를 결합할 수 있다.
다음으로, 제2도금층은 3% 농도의 BSA 단백질을 포함하는 PBS 용액에서 15분동안 처리된 후 2차 PBS 워싱이 수행되어(단계 S630) BSA 단백질이 제2도금층의 표면에 증착되며, 30분의 Tn I 처리 및 3차 PBS 워싱을 통해(단계 S640) 1차 항체에 Tn I를 결합하도록 형성된다.
마지막으로, 증폭부는 1시간동안 37℃에서 배양되어 형광체와 결합한 Tn I의 2차 항체를 Tn I와 결합시켜 형광체층을 형성하고, 후처리로 4차 PBS 워싱 및 37℃에서 15분동안 건조를 수행한다(단계 S650).
이러한 단계를 통해 증폭부는 제2도금층에 형광체층을 형성할 수 있으며, 바람직하게는 형광체층은 Alexa-488이라는 형광물질로 형성될 수 있으며, 이로인해 형광체층은 470nm 파장을 중심값으로 가지는 청색 계열의 제1광을 525nm 파장을 중심값으로 가지는 녹색 계열의 제2광으로 변환시킬 수 있다.
상술한 도 5 및 도 6의 구성을 통해 본 발명의 일 실시예에 따른 증폭부(440)는, 제1광을 전달받아 증폭된 제2광을 생성하도록 형성된다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 증폭 장치(400)는, 도 4에서 상술한 바와 같이 a) L 모드 및 b) P 모드로 형성될 수 있다.
도 4a에 도시된 L 모드는, 제2렌즈부(450), 제2필터부(460) 및 측정부(470)이 증폭부(440)의 측면으로 형성되는 모드이며, 도 4b에 도시된 P 모드는, 증폭부(440)의 하부면에 프리즘이 형성되며, 제2렌즈부(450), 제2필터부(460) 및 측정부(470)이 프리즘의 빗면으로 형성되는 모드이다.
제2렌즈부(450)는, L 모드의 경우 증폭부(440)의 측면측에 형성되고, P 모드의 경우 증폭부(440)의 빗면측에 형성된다. 제2렌즈부(450)은 제2광을 전달받아 초점 방향으로 제2광을 수집하도록 형성될 수 있다.
제2렌즈부(450)은 이를 위해 일 측이 볼록한 비구면 볼록 렌즈 또는 복합 렌즈로 형성될 수 있으며, 제2렌즈부(450)로 입사된 제2광은(D), 제2렌즈부(450)을 통과하면서 제2렌즈부(450)의 초점 방향으로 진행방향이 변경되어 서로 모이도록 진행된다(E).
제2필터부(460)는, 제2광의 진행방향인 제2렌즈부(460)의 초점 방향에 구비되며, 제2광을 전달받아 노이즈를 제거하도록 형성된다. 제2필터부(460)은 제2광이 제2필터부(460)을 통과하면, 제2광에 포함된 제2노이즈를 제거하도록 형성될 수 있다.
여기서, 증폭부(440)이 제1광을 이용하여 525nm 파장을 중심값으로 가지는 녹색광 계열의 가시광선을 제2광으로 생성하더라도, 제2광은 525nm의 단일파장을 갖지 않고 다양한 파장의 노이즈가 포함된다. 이러한 노이즈는 후술되는 측정부(470)에서 형광량을 측정하는 과정에 영향을 미치기 때문에 최소한의 노이즈를 가지는 제2광이 측정부(470)로 이동하여야 한다.
따라서, 제2필터부(460)은 바람직하게는 제2광의 중심값인 525nm를 기준으로 최소 25nm 이상의 오차를 가지는 파장을 제2노이즈로 하여 제거할 수 있도록, 500nm 내지 550nm의 광만 통과할 수 있는 필터로 형성될 수 있다.
이를 이용하여 제2광은 제2필터부(460)을 통과하면서 제2노이즈가 제거되어 500nm 내지 550nm인 녹색 계열의 파장인 빛으로 측정부(470)에 입사될 수 있다(F).
마지막으로 측정부(470)은 제2광을 획득하여 형광량을 측정하도록 형성된다. 이를 위해 측정부(470)은 제2광의 진행방향인 제2필터부(460)의 일 측에 구비될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 증폭 장치(400)는, 제1렌즈부(420)과 제1필터부(430)의 순서가 바뀌어 구성되거나 제2렌즈부(450)과 제2필터부(460)의 순서가 바뀌어 구성되더라도 본 발명의 일 실시예와 동일한 동작 및 결과물을 획득할 수 있기 때문에 그 순서가 실시예에 한정되지는 않는다.
또 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 증폭 장치(400)은 증폭부(440)의 하부에 프리즘을 결합하기 위해 이멀젼 오일(Immersion oil)을 이용할 수 있으며, 측정부(470)의 전면에 ND 필터를 더 포함하도록 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 증폭 장치(400)은 유전체층(510)의 하부에 복수개의 피라미드 형태의 실리콘 첨가제(Polydimethylsiloxane, PDMS)가 더 형성될 수도 있다.
도 7에는 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 증폭 장치와 표면 플라즈몬 공명을 이용하지 않고 형광을 측정하는 일반 장치를 이용한 최종 광 측정량에 대한 비교 실험 결과가 나타나고 있다.
하기 표 6은, L 모드에서의 표면 플라즈몬 공명 사용 여부에 따른 모의 실험 결과이며, 하기 표 7은 P 모드에서의 표면 플라즈몬 공명 사용 여부에 따른 모의 실험 결과이다.
L 모드, LED 100mA, Voltage 0.5V, Filter 2.0 OD
Tn I 농도
[pg/mL]		 Non-SPCE SPCE 향상비
[S/NS]
유효전압
[mV]		 SD
[mV]		 유효전압
[mV]		 SD
[mV]
0.01 2.4267 0.16182 6.91903 1.03380 2.851210
0.05 1.85052 0.28216 22.33841 1.64855 12.07144
0.25 1.92905 0.72629 32.21718 3.45711 16.70106
0.50 1.31687 0.27930 36.44144 1.15219 27.67284
P 모드, LED 100mA, Voltage 0.5V, Filter 2.0 OD
Tn I 농도
[pg/mL]		 Non-SPCE SPCE 향상비
[S/NS]
유효전압
[mV]		 SD
[mV]		 유효전압
[mV]		 SD
[mV]
0.01 0.04108 0.00140 0.06803 0.000451 1.65588
0.05 0.02724 0.00725 0.18656 0.01157 6.84988
0.25 0.05347 0.00628 0.23374 0.00280 4.37155
0.50 0.01965 0.00133 0.25864 0.00219 13.16568
표 6 및 표 7을 살펴보면, 본 모의 실험에서는 Tn I의 농도를 0.01, 0.05, 0.25 및 0.50 pg/mL로 각각 설정하여 실험을 진행하였으며, 각각의 농도에서 표면 플라즈몬 공명이 발생하지 않는 Non-SPCE(이하 NS라 한다) 및 표면 플라즈몬 공명이 발생하는 SPCE(본 발명의 실시예, 이하 S라 한다)의 구조를 이용하여 각각 10회의 측정을 수행하였다.또, 본 모의실험에서는 광원(410)에 인가되는 전류를 400mA로, 전압을 0.5V로 고정하였으며, ND 필터로 2.0 OD를 가지는 필터를 사용하였다.표 6 및 도 7a를 살펴보면, 본 모의 실험에서 L 모드로 NS 구조를 사용하여 Tn I를 검출하는 경우, 각각의 농도에서 2.4267, 1.85052, 1.92905 및 1.31687mV 등 2.5mV를 넘지 않는 광량이 검출되었다.
하지만, 이에 반해 본 발명의 일 실시예에 따른 구조인 S 구조를 사용하여 Tn I를 검출하는 경우, 각각의 농도에서, 6.91903, 22.33841, 32.21718 및 36.44144mV 등 약 7mV 내지 36mV의 광량을 검출하였다.
즉, 모의 실험을 통해 L 모드에서는 농도별로 차이가 존재하지만, S 구조에서는 표 6 및 도 7b에 나타나 있는 바와 같이 NS 구조에 비해 최소 2.85배에서 최대 27.68배의 향상비를 확인할 수 있다.
한편, 표 7 및 도 7c를 살펴보면, 본 모의 실험에서 P 모드로 NS 구조를 사용하여 Tn I를 검출하는 경우, 각각의 농도에서 0.04108, 0.02724, 0.05347 및 0.01965mV로 0.06mV를 넘지 않는 광량이 검출되었다.
하지만, 이에 반해 본 발명의 일 실시예에 따른 구조인 S 구조를 사용하여 Tn I를 검출하는 경우, 각각의 농도에서 0.06803, 0.18656, 0.023374 및 0.25864mV로 약 0.068mV 내지 0.26mV의 광량을 검출하였다.
즉, 모의 실험을 통해 P 모드에서는 농도별로 차이가 존재하지만, S 구조에서는 표 7 및 도 7d에 나타나 있는 바와 같이 NS 구조에 비해 최소 1.66배에서 최대 13.17배의 향상비를 확인할 수 있다.
상술한 모의실험을 정리하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 증폭 장치는, 종래의 표면 플라즈몬 공명을 사용하지 않는 장치에 비하여 획득하는 형광량이 월등히 높게 나타나며, 이는 본 발명의 구성이 종래보다 월등한 효과를 가지는 것을 뒷받침 하는 실험 결과이다.
이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
100: 표면 플라즈몬 공명을 이용한 형광 증폭 장치
400: 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 증폭 장치
110,410: 광원
120,430: 제1필터부
140,460: 제2필터부
130, 200: 형광증폭부
440: 증폭부
150: 렌즈부
420: 제1렌즈부
450: 제2렌즈부
160,470: 측정부
211,212,213,214,510: 유전체층
221, 222, 223, 224: 형광층
550: 형광체층
243,244: 도금층
520: 제1도금층
540: 제2도금층
253,254: 부도체층
530: 광 도파로층

Claims (30)

  1. 제1광을 발광하는 광원;
    상기 제1광의 노이즈를 제거하도록 형성되는 제1필터부;
    상기 제1광을 전달받아 형광을 생성하고 표면 플라즈몬 공명을 이용하여 상기 형광을 증폭하여 제2광을 생성하는 형광증폭부;
    상기 제2광의 노이즈를 제거하도록 형성되는 제2필터부;
    상기 제2광을 일 방향으로 수집하도록 형성되는 렌즈부; 및
    상기 제2광을 측정하여 형광량을 측정하는 측정부;를 포함하도록 형성되는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 형광 증폭 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 광원은 중심값이 470nm인 상기 제1광을 발광하는 LED로 형성되는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 형광 증폭 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제1필터부는,
    상기 제1광을 470nm를 기준으로 최소 10nm 이상의 오차를 가지는 상기 제1광의 상기 노이즈인 제1노이즈를 제거하도록 형성되는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 형광 증폭 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 형광증폭부는,
    형광 물질을 포함하도록 형성된 형광층;
    상기 형광층의 하부에 형성되는 부도체층;
    상기 부도체층의 하부에 형성되는 도금층; 및
    상기 도금층의 하부에 형성되는 유전체층;을 포함하도록 형성되는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 형광 증폭 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 형광층은, SiO2 용액(Tesol)에 형광물질을 섞은 후 상기 부도체층 위에 스핀코팅을 수행하여 형성되는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 형광 증폭 장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 형광층은, 100nm 이하의 직경을 가지는 복수의 은(Ag) 나노 입자를 포함하도록 형성되는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 형광 증폭 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 형광층은, 두께가 170nm 내지 240nm로 형성되는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 형광 증폭 장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 은 나노 입자는, 상기 제1광을 전달받아 산란광을 생성하여 국소 표면 플라즈몬 공명 효과를 생성하는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 형광 증폭 장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 형광 물질은 Rho110으로 형성되는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 형광 증폭 장치.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 부도체층은, 플루오린화 마그네슘(MgF2)이 10nm의 두께로 형성되는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 형광 증폭 장치.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 도금층은, 은(Ag)이 50nm의 두께로 형성되는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 형광 증폭 장치.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 유전체층은, 상기 제2광의 통과를 위해 투명한 유리로 형성되는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 형광 증폭 장치.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 형광증폭부는, 표면 플라즈몬 공명 효과를 발생시키기 위해 상기 형광체층 및 상기 부도체층을 광 도파로로 이용하는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 형광 증폭 장치.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 형광증폭부는, 상기 국소 표면 플라즈몬 공명 및 상기 표면 플라즈몬 공명 효과를 이용하여 상기 제1광을 상기 증폭된 형광인 상기 제2광으로 변환하여 생성하는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 형광 증폭 장치.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 제2필터부는,
    상기 제2광을 525nm를 기준으로 최소 10nm 이상의 오차를 가지는 상기 제2광의 상기 노이즈인 제2노이즈를 제거하도록 형성되는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 형광 증폭 장치.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 렌즈부는, 비구면 볼록렌즈 또는 복합 렌즈로 형성되는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 형광 증폭 장치.
  17. 제1광을 발광하는 광원;
    상기 광원의 하부측에 형성되며, 상기 제1광을 상기 광원의 반대 방향으로 수집하도록 형성되는 제1렌즈부;
    상기 제1렌즈부의 하부측에 형성되며, 상기 제1광의 노이즈를 제거하도록 형성되는 제1필터부;
    상기 제1광을 전달받아 표면 플라즈몬 효과를 발생시켜 증폭된 광인 제2광을 생성하는 증폭부;
    상기 제2광을 일 방향으로 수집하도록 형성되는 제2렌즈부;
    상기 제2렌즈부를 통과한 상기 제2광의 진행 방향으로 형성되며, 상기 제2광의 노이즈를 제거하도록 구비되는 제2필터부; 및
    상기 제2필터부를 통과한 상기 제2광의 진행 방향으로 형성되며, 상기 제 2광의 세기를 측정하도록 형성되는 측정부;를 포함하며,
    상기 증폭부는,
    유리로 형성되는 유전체층;
    상기 유전체층의 상부에 크롬으로 형성되는 제1도금층;
    상기 제1도금층의 상부에 은으로 형성되는 광 도파로 층;
    상기 광 도파로 층의 상부에 금으로 형성되는 제2도금층; 및
    상기 제2도금층에 결합하는 물질에 포함된 형광체로 형성되는 형광체층;을 포함하도록 형성되며,
    상기 제2광의 진행 방향에 따라 L 모드 또는 P 모드로 형성되는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 증폭 장치.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 L 모드는,
    상기 제2광의 진행 방향이 상기 증폭부의 측면 방향이며,
    상기 측면 방향으로 상기 제2렌즈부, 상기 제2필터부 및 상기 측정부가 순서대로 형성되는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 증폭 장치.
  19. 제 17항에 있어서,
    상기 P 모드는,
    프리즘의 빗면이 아닌 다른 면이 상기 증폭부의 하부에 결합되며,
    상기 제2광의 진행방향이 상기 프리즘의 빗면 방향이며,
    상기 빗면 방향으로 상기 제2렌즈부, 상기 제2필터부 및 상기 측정부가 순서대로 형성되는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 증폭 장치.
  20. 제 18항 또는 제 19항에 있어서,
    상기 형광체층은, 트로포닌 I(Troponin I, TnI)의 항체가 2차에 걸쳐 상기 제2도금층에 결합하며, 상기 형광체를 포함하는 트로포닌 I가 상기 트로포닌 I의 2차 항체에 결합하여 형성되는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 증폭 장치.
  21. 제 20항에 있어서,
    상기 제1도금층은, 2nm 내외로 형성되며,
    상기 광 도파로 층은, 50nm 내외로 형성되고,
    상기 제2도금층은, 2nm 내외로 형성되는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 증폭 장치.
  22. 제 21항에 있어서,
    상기 제1광은 LED로 형성되는 상기 광원으로부터 방출되며, 중심 파장값이 470nm로 형성되고,
    상기 제2광은, 상기 증폭부로부터 방출되며, 중심 파장값이 525nm로 형성되는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 증폭 장치.
  23. 제 22항에 있어서,
    상기 제1필터부는, 상기 제1광 중 450nm 내지 490nm의 범위를 벗어나는 파장을 제1노이즈로 판단하여 제거하도록 형성되는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 증폭 장치.
  24. 제 23항에 있어서,
    상기 제2필터부는, 상기 제2광 중 500nm 내지 550nm의 범위를 벗어나는 파장을 제2노이즈로 판단하여 제거하도록 형성되는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 증폭 장치.
  25. 제 24항에 있어서,
    상기 제1렌즈부는, 일 면이 볼록한 형태로 형성되어 상기 제1광을 초점으로 모이도록 하는 콜리메이터 렌즈로 형성되는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 증폭 장치.
  26. 제 25항에 있어서,
    상기 제2렌즈부는, 상기 제2광을 일 방향으로 모이도록 하는 컨벡스 렌즈로 형성되는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 증폭 장치.
  27. 제 26항에 있어서,
    상기 제1필터부와 상기 증폭부 사이에 상기 제1노이즈가 제거된 상기 제1광의 광량을 조절하도록 형성되는 조리개부;를 더 포함하는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 증폭 장치.
  28. 제 27항에 있어서,
    상기 제2필터부와 상기 측정부 사이에 상기 제2노이즈가 제거된 상기 제2광의 광량을 일괄적으로 필터링 할 수 있는 ND 필터부;를 더 포함하는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 증폭 장치.
  29. 제 28항에 있어서,
    상기 증폭부는, 상기 유전체층 하부에 1.35 내지 1.45의 유전율을 가지는 물질이 복수개의 피라미드 형태로 형성되는 실리콘 첨가제(Polydimethylsiloxane, PDMS)층을 더 포함하는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 증폭 장치.
  30. 제 29항에 있어서,
    상기 P 모드는, 상기 프리즘과 상기 측정부를 결합하기 위해 이멀젼 오일을 사용하는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 광 증폭 장치.
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