KR100714145B1 - 차동식 표면 플라즈몬 공명 측정 장치 및 방법 - Google Patents

차동식 표면 플라즈몬 공명 측정 장치 및 방법 Download PDF

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도쿠리쓰교세이호징 가가쿠 기주쓰 신코 기코
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Abstract

광원으로부터의 소정의 파장을 가지는 광 빔 (41) 이 프리즘 (42) 및 유리 기판 (44) 을 포함하는 센서상의 선초점으로 입사된다. 시료셀 및 참조셀이 이 선초점을 따라 소정의 간격으로 배치된다. 시료셀 및 참조셀의 각 센싱 부분들에서 유발되는 표면 플라즈몬 공명에 의해 그 세기가 약해진 반사광들이, 상이한 각도로 배치된 빔 분할 거울들 (53) 에 의해 반사되고, 센싱 부분들의 중심들간의 간격과 동일한 간격을 유지하면서, 2 개의 광학 경로를 따르는 2 개의 빔들로 분할된다. 시료 부분 및 참조 부분에 대응하는 센싱 필름들을 가지는 전극타입 복합형 센서셀 (47) 이, 프리즘 (42) 상에 배치되고 프리즘 (42) 의 굴절률과 매칭된 굴절률을 가지는 점착성 광학 인터페이스 필름 (43) 상에서 눌러진다. 단일 CCD 라인 센서 (56) 의 2 개 영역에서 검출을 수행하는 광학 시스템이, 센서와 광학 인터페이스 필름과 프리즘 사이의 광학 매칭이 유지된 채로, 시료셀 및 참조셀에서 생성된 표면 플라즈몬 공명들을 측정한다.
차동식, 표면 플라즈몬 공명

Description

차동식 표면 플라즈몬 공명 측정 장치 및 방법{DIFFERENTIAL SURFACE PLASMON RESONANCE MEASURING DEVICE AND ITS MEASURING METHOD}
기술 분야
본 발명은 차동식 표면 플라즈몬 공명 측정 장치 및 차동식 표면 플라즈몬 공명 측정 방법에 관한 것이다.
기술 배경
일본에서 20 세기 후반에 고도로 발전한 산업이 우리 생활에 물질적 부를 안겨준 반면에, 대기, 수질, 및 토양오염과 청소년 약물 남용과 같은 인류 사회에 심각한 영향을 미치는 부정적 유산을 남겼다. 이들 문제 중에서, 비유기적 물질에 의해 유발된 대기 및 수질오염은 거의 극복되었다. 그러나, 예를 들어, 1990 년대 초반에 인체에 대한 효과가 발견된 다이옥신으로 대표되는 내분기계 교란물질이 관심의 대상이 되고 있다. 특히, 인공적 저-분자-중량 유기화합물에 의한 환경오염, 약물남용에 의한 정신적 붕괴, 및 토양오염에 대한 해결이 21세기에 남겨졌으며, 즉시 극복되어야 할 공공의 문제로 인식되고 있다. 계측화학 관점에서 극소량의 성분이고 신뢰성을 가지는 측정이 요구되는 이러한 유기화합물들에 대한 분석은, 비용이 많이 들고 동작을 위해 많은 기술이 요구되는, 가스 크로마토그래피 및 질량 분석법에 의해 수행된다. 따라서, 그러한 오염에 대한 실제 상태를 알기 위해 충분한 정보가 얻어질 수 없다. 이것이 문제 해결에 대한 어려움을 유발하는 것 중 하나이다.
또한, 상술한 가스 크로마토그래피 및 질량 분석법 외에도, 유기화합물을 분석하는 일반적인 접근법으로는 액체 크로마토그래피, 형광시약 또는 발광시약을 이용한 화학 반응에 기초한 광학 측정, 효소면역 측정, 및 표면 플라즈몬 공명 측정등이 포함된다. 이 중에서 간단한 것은 표면 플라즈몬 공명 측정이다. 이하, 그 이유들을 설명한다.
표면 플라즈몬 공명 측정에서, 플라즈마 상태의 금속면을 노광시킴으로써 야기되는, 물질들 사이의 상호작용에 의해 100 ㎚ 의 범위에서 생성되는 광학 공명 (표면 플라즈몬 공명, SPR) 이 측정된다. 이러한 측정은,
(1) 센서 표면에서의 화학반응이 실시간으로 추적될 수 있고,
(2) 물질들 사이의 상호작용이 100 ㎚ 의 범위에서 발생하기 때문에, 분석용 시료가 미량이고,
(3) 상기 (2) 의 이유 때문에, 적은 양의 시료라도 고감도로 농축될 수 있고,
(4) 검출 시스템은 유리 프리즘을 이용하고, 따라서, 검출기가 아주 소형일 수 있고,
(5) 플라즈몬 공명을 일으기키 위해 금 막이 이용되고, 따라서, 항체 등과 같은 감응물질 (inductors) 을 고정하기가 용이해지고, 측정 대상을 선택적으로 검출하는 검출 시스템이 설계될 수 있다.
따라서, 표면 플라즈몬 공명 측정은 환경오염 저분자 유기화합물을 측정하기 위한 유비쿼터스 팜사이즈지향 필드 장치를 개발하기 위한 최적의 접근법으로 인식되고 있다.
표면 플라즈몬 공명은, 증기 침전에 의해 금속 박막으로 코팅된 프리즘으로 광이 입사할 때 프리즘의 표면에서 항상 생성되는 소실파가 금 표면에서 여기된 플라즈몬 파와 공명함으로써 반사를 감소시키는 현상이다. 표면 플라즈몬 공명을 유발하는 입사각은 시료용액의 유전율에 의존한다. 측정 대상과 상호작용하는 물질을 금속 박막의 표면에 고정시켜 기능성 필름을 형성함으로써, 다양한 유기화합물을 측정하는 화학 센서가 달성될 수 있다.
이 현상은 응용 물리학의 광학 분야에서 오래전부터 알려져 왔다. 보다 구체적으로, Wood 가 1902 년에 이 현상을 발견했고, Nylander 가 1982 년에 이 현상을 이용한 센서를 개발하였다. 이 현상의 과학적 응용은 최근까지는 이루어지지 못하다가, 항체 등을 금 표면에 고정함으로써 생체막과 물질 사이의 상호작용의 실시간 측정이 가능하게 되었다. 일반적으로, 생체막과 물질 사이의 상호작용을 측정하기 하기 위해서는, 수일 주기 이상 평형상태가 측정되는 평형법이 수행된다. 표면 플라즈몬 공명 측정은 평형상태의 실시간 측정을 가능하게 하고, 따라서, 면역 반응을 측정하는 면역 센서 및 단백질 상호작용 분석과 같은 다양한 응용이 분석화학, 생화학, 약품화학, 및 의료측정과 같은 과학 분야 및 산업 분야에서 널리 수행되어 왔다.
이하, 표면 플라즈몬 공명의 원리를 설명한다.
수십 나노미터의 두께로 증착된 금 또는 은과 같은 금속 박막으로 코팅한 표면을 갖는 유리 기판으로, 코팅되지 않은 표면으로부터 광이 입사되면, 표면 플라즈몬이라 불리는 파 진행이 발생한다. 표면 플라즈몬은 금속의 덜 속박된 자유전자들의 파동의 양자화로부터 기인한다. 자유 전자들은 음파와 같은 조밀도 (crude density) 로 금속 표면의 접선방향에서 진행할 수 있다. 자유 전자들이 동일한 진행 속도를 가지는 전자기파와 함께 진동한다면, 전자들은 공명하게 되고, 따라서 표면 플라즈몬이 발생한다.
금속에서 전자들은 양이온들 주변에서 자유롭게 이동하므로, 금속은 고체상태 플라즈마로 간주될 수 있다. 고체상태 플라즈마는 표면 플라즈마 진동 (그것의 양자가 표면 플라즈몬을 나타냄) 을 가지고, 표면 플라즈마 진동은 고체 상태 플라즈마의 표면 근처에서의 집단적인 전자 여기로부터 기인한다. 표면 플라즈몬은 금속 표면에서만 존재하는 표면파이고, 파수 (wave number) Ksp 와 주파수 ω 사이의 관계는 다음과 같이 주어지는데, 금속의 유전율 εm 뿐만 아니라 금속과 접촉하고 있는 매체 (시료) 의 굴절률 ns 에도 의존하고,
Figure 112005059913657-pct00001
(1)
여기서 c 는 진공에서의 광의 속도를 나타낸다.
금속 (유전율 εm 은 이미 알려짐) 표면에서의 주파수 ω 를 가지는 표면 플라즈몬의 파수 Ksp 가 얻어지면, 시료의 굴절률 ns 은 식 (1) 로부터 판정될 수 있다.
도 1 은 표면 플라즈몬 공명의 원리의 개략도이다.
이 도면에서, 인용부호 1 은 프리즘 (굴절률 nD) 을 나타내고, 2 는 금속 박막 (유전율 ε) 을 나타내고, 3 은 시료용액을 나타내고, 4 는 입사광 (파수 Kp) 을 나타내고, 5 는 소실파 (파수 Kev) 들을 나타내고, 6 은 반사광을 나타내고, 7 은 CCD 검출기를 나타내고, 8 은 표면 플라즈몬 (파수 Ksp) 을 나타낸다.
도 1 에 나타낸 바와 같이, 금속 박막 (2) 은 프리즘 (1) 의 표면에 증착되고, 시료 (3; 이 경우 시료용액) 와 접촉한다. 입사광 (4) 이 프리즘 (1) 측면으로부터 임계각도 이상으로 프리즘 (1) 의 바닥에 도달하면, 소실파 (5) 들이 시료 (3) 를 관통한다. 입사광 (4) 역할을 하는 평면파 (파수 Kp) 가 입사각 θ로 입사하면, 소실파 (5) 들의 파수 Kev 는 입사광 (4) 의 공간주파수의 프리즘의 바닥을 따르는 성분,
Kev = Kp sin θ (2)
이 된다. 입사각이 임계각 이상인 경우, Kp sin θ > Ks 인 관계가 유지된다 (Ks 는 시료 (3) 를 통해 진행하는 광의 파수를 나타냄). 따라서,
Kev = Kp sin θ > Ks (3)
이다. 소실파 (5) 들의 파수 Kev 는 시료 (3) 를 통해 진행하는 광의 파수 Ks 보다 크다. 따라서, Kev = Ksp 를 만족하는 입사각 θsp 가 존재한다. 이 각도 θsp 로 입사하는 광 (4) 은 소실파 (5) 들과 공명하여 표면 플라즈몬 (8) 을 여기시킨다. 표면 플라즈몬 (8) 이 소실파 (5) 들에 의해 여기되면, 광의 에너지중 일부가 표면 플라즈몬 (8) 으로 전이되고, 따라서, 프리즘 (1) 으로 되돌아가는 반사광 (6) 의 세기가 약해진다. 프리즘 (1) 측면에서의 반사율의 소실파들의 파수 Kev 에의 의존성 또는 입사하는 평면파 입사각에의 의존성을 측정함으로써, 표면 플라즈몬 (8) 의 여기상태를 나타내는 흡수 피크가 관찰된다. 표면 플라즈몬 (8) 의 파수 Ksp 는 흡수 피크 위치로부터 유도되고 (파수 Kev 또는 입사각 θsp), 시료의 굴절률 ns 는 식 (1) 및 식 (2) 로부터 얻어질 수 있다. 시료용액 (3) 의 굴절률 ns 는 시료의 농도에 의존한다. 따라서, 굴절률을 측정함으로써 농도가 판정될 수 있다.
도 2 에 나타낸 바와 같이, 측정 대상과 상호작용하는 물질이 금속 박막 (2) 의 표면에 고정되어 기능성 필름 (9) 을 형성하고, 공명각을 변하게 하기 위해 기능성 필름 (9) 의 투과율 및 두께가 (다양한 타입의 반응 및 결합에 의해) 변화된다. 이 각도 변화를 실시간으로 측정함으로써, 다양한 타입의 반응 및 결합의 상태, 속도 및 양, 및 시료 농도를 알 수 있다. 또한, 도 2 는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 면역학 측정을 나타낸다.
이하, 종래의 플라즈몬 공명 측정 장치를 설명한다.
도 3 은 차동식 표면 플라즈몬 공명 측정 장치의 개략도이다.
이 도면에서, 인용부호 11 은 광원을 나타내고, 12 는 빔분할기를 나타내고, 13 은 SPR 검출기를 나타내고, 14 는 시료 광검출기를 나타내고, 15 및 18 은 프리앰프를 나타내고, 16 및 19 는 A/D 변환기를 나타내고, 17 은 참조 광검출기를 나타내고, 20 은 인터페이스 (I/F) 를 나타내고, 21 은 컴퓨터를 나타낸다.
도 3 에 나타낸 바와 같이, 종래의 광학 시스템에서, 광원 (11) 으로부터의 광이 빔분할기 (12) 에 의해 2 개 경로의 광 빔들로 분할되고, 따라서, 빔들은 프리즘을 포함하는 SPR 검출기 (13) 의 소정의 2 개의 포인트에 조사된다. 2 개의 독립적인 광검출기 (14, 17) 는 표면 플라즈몬 공명에 의해 유발되는 빔들의 감소를 검출하고, 프리앰프 (15, 18) 들은 신호들을 증폭시킨다.
도 4 는 종래의 표면 플라즈몬 공명 측정 장치의 검출 시스템을 나타낸다.
이 도면에서, 인용부호 22 는 프리즘을 나타내고, 23 은 광학 인터페이스 오일층을 나타내고, 24 는 센서를 나타내고, 25 는 시료를 나타내고, 26 은 액체 펌프를 나타내고, 27 은 플로우셀을 나타내고, 28 은 플로우셀 홀더를 나타내고, 29 는 광을 나타낸다.
이 도면에서 나타낸 바와 같이, 종래의 검출기는 액체 펌프 (26), 플로우셀 (27), 셀 홀더 (28), 센서 (24), 프리즘 (22), 및 프리즘 (22) 과의 광학 매칭을 보장하기 위한 광학 인터페이스 오일층 (23) 을 포함한다.
[특허 문헌 1] 일본 미심사 특허 출원 공개 제 2000-039401 호
[특허 문헌 2] 일본 미심사 특허 출원 공개 제 2001-183292 호
[특허 문헌 3] 일본 미심사 특허 출원 공개 제 2001-255267 호
[특허 문헌 4] 일본 특허 제 3356212 호
[특허 문헌 5] 일본 미심사 특허 출원 공개 제 2003-185572
발명의 개시
도 3 에 나타낸 멀티-경로 시스템은, 빔분할기 (12) 에 의해 광이 2 개의 광 빔 경로로 분할되기 때문에 프리즘을 소형화 하는데 한계가 있다. 또한, 멀티-경로 시스템은 두 개의 검출 시스템이 필요하고, 따라서, 그 구조에서 특정 공간을 필요로 한다. 이것이 장치를 팜사이즈 모델로 소형화하는 것이 제한되는 이유이다.
일반적으로, 예를 들어, Biacore K. K. 사 또는 일본 레이져 전자로부터의 상업적으로 가용한 표면 플라즈몬 공명 측정 장치는, 760 ㎝ (W) × 350 ㎝ (D) × 610 ㎝ (H) 의 큰 크기와 50 ㎏ 의 무게를 가지며 (Biacore K. K. 사의 BIAcore 1000), 실험실용으로 제한된다.
따라서, 시료의 표면 플라즈몬 공명을 실제로 측정하기 위해서, 시료를 실험실로 가져가야 한다. 현장에서 생생한 측정 결과를 얻는 것이 불가능 했었다.
도 4 에 나타낸 검출 시스템을 이용하는 측정 시스템은 불가피하게 대형이어서, 언제나 어디서나 측정할 수 있는 현장-지향 유비쿼터스, 팜사이즈 차동식 표면 플라즈몬 공명 측정 장치에 대한 요청을 만족시킬 수 없다.
표면 플라즈몬 공명 측정의 단점을 극복하기 위해, 본 발명은 신규 아이디어가 적용된 광학 시스템 및 검출 시스템을 포함하는 팜사이즈의 저렴한 차동식 표면 플라즈몬 공명 측정 장치를 제공한다. 이 장치는 유기적 환경오염물질 측정용으로 의도되었고, 그 측정 결과는 신뢰할 수 있다. 또한, 특수한 경험이 없더라도 누구든지, 언제나, 야외를 포함하여 어디에서나, pH 유리 전극과 같은 센서 등과 아주 유사한 방식으로, 이 장치를 용이하게 동작시킬 수 있다.
상술한 사정을 고려하여, 본 발명의 목적은 특수한 경험없이도 수행될 수 있는 유비쿼터스 측정을 위해 의도된, 소형의 저렴한 차동식 표면 플라즈몬 공명 측정 장치, 및 표면 플라즈몬 공명을 차동적으로 측정하는 방법을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위해서,
[1] 입사광이 공명각을 포함하는 범위의 입사각으로 입사하는 입사광 광학 시스템; 프리즘상에 증착된 박막상에 시료용액 고정부 및 참조용액 고정부를 포함하는 시료 세팅 디바이스로서, 상기 시료용액 고정부 및 상기 참조용액 고정부는 상기 입사광의 빔이 조사되는 영역에 위치하는 시료 세팅 디바이스; 상기 시료용액 고정부 및 상기 참조용액 고정부로부터 반사된 광을 각각의 빔들로 분할하고, 상기 빔들의 방향을 회전시켜 단일 라인상에 상기 빔들을 투영하기 위한 투영 광학 시스템; 및 상기 빔들을 수신하는 CCD 를 상기 단일 라인상에 포함하는 선형 CCD 센서를 포함하는 차동식 표면 플라즈몬 공명 측정 장치가 제공된다.
[2] 상기 [1] 의 차동식 표면 플라즈몬 공명 측정 장치에서, 상기 투영 광학 시스템은, 상기 시료용액 고정부 및 상기 참조용액 고정부로부터 반사된 광을 각각의 빔들로 분할하고, 상기 빔들의 방향을 회전시켜 상기 빔들을 단일 라인상에 투영하기 위한 복수의 거울을 포함한다.
[3] 상기 [2] 의 차동식 표면 플라즈몬 공명 측정 장치에서, 상기 복수의 거울들은 시료용액 고정부로부터의 반사광을 제 1 각도로 반사하기 위한 제 1 거울, 및 참조용액 고정부로부터의 반사광을 제 2 각도로 반사하기 위한 제 2 거울을 포함한다.
[4] 또한, 상기 [1] 의 차동식 표면 플라즈몬 공명 측정 장치는 상기 프리즘상에 배치된 점착성 광학 인터페이스 필름을 더 포함하고, 상기 광학 인터페이스 필름은 상기 프리즘의 굴절률과 매칭된 굴절률을 가진다.
[5] 차동식 표면 플라즈몬 공명 측정 방법이 제공되는데, 이 방법은, 프리즘 및 유리 기판을 포함하는 센서상에 선초점을 형성하기 위해 특정 파장을 가지는 광원으로부터 광을 방출하는 제 1 단계; 선초점상에 소정의 간격으로 배치되는 시료셀 및 참조셀의 센싱부들에서 표면 플라즈몬 공명을 생성하여, 상기 센싱부들로부터 반사되는 광의 세기를 감소시키는 제 2 단계; 반사광의 빔들을 센싱부들의 중심들간의 소정의 간격과 동일한 간격을 유지하면서, 빔들에 따라 상이한 각도들을 가지는 광분할 거울들로부터 반사되게 함으로써 상기 반사광을 2 개의 광학 경로로 분할하는 제 3 단계; 및 상기 프리즘상에 배치된 점착성 광학 인터페이스 필름상의 시료부 및 참조부에 대응하고, 상기 프리즘의 굴절률과 매칭된 굴절률을 가지는 센싱 필름들을 포함하는 전극타입 복합형 센서셀을 누르는 제 4 단계를 포함하는 차동식 표면 플라즈몬 공명 측장 방법으로서, 단일 CCD 라인 센서의 2 개의 영역에서 검출을 수행하는 광학 시스템이, 상기 센서와 상기 광학 인터페이스 필름과 상기 프리즘 사이의 광학 매칭이 유지된 채로, 상기 시료셀 및 상기 참조셀에서 생성된 표면 플라즈몬 공명을 측정한다.
[6] 상기 [5] 의 차동식 표면 플라즈몬 공명 측정 방법에서, 상기 광학 인터페이스 필름은 고분자 점착성 광학 인터페이스 필름이다.
[7] 상기 [6] 의 차동식 표면 플라즈몬 공명을 측정 방법에서, 상기 고분자 필름은 폴리염화비닐로 만들어진다.
[8] 상기 [6] 또는 [7] 의 차동식 표면 플라즈몬 공명 측정 방법에서, 상기 시료셀은 매칭 오일을 이용하지 않고 상기 프리즘 및 상기 유리 기판과 동일한 굴절률을 가지는 점착성 광학 인터페이스 필름상에 배치된다.
[9] 상기 [8] 의 차동식 표면 플라즈몬 공명 측정 방법에서, 기능성 물질과 상호작용하고, 상기 상호작용에 의해 변하는 굴절률을 가지는 물질이 화학센서화 시스템에서 측정된다.
[10] 상기 [9] 의 차동식 표면 플라즈몬 공명 측정 방법에서, 상기 시료셀에 항체를 고정함으로써, 항원-항체 반응이 면역센서화 시스템에서 측정된다.
[11] 상기 [5] 의 차동식 표면 플라즈몬 공명 측정 방법에서, 상기 전극타입 복합형 센서셀은 약 20 N 의 힘으로 눌려진다.
도면의 간단한 설명
도 1 은 표면 플라즈몬 공명의 원리의 개략도이다.
도 2 는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 면역학적 측정의 개략도이다.
도 3 은 공지된 차동식 표면 플라즈몬 공명 측정 장치의 개략도이다.
도 4 는 공지된 차동식 표면 플라즈몬 공명 측정 장치의 검출 시스템의 개략도이다.
도 5 는 본 발명의 차동식 표면 플라즈몬 공명 측정 장치의 개략도이다.
도 6 은 본 발명의 팜사이즈 차동식 표면 플라즈몬 공명 측정 장치의 광학 시스템의 개략도이다.
도 7 은 본 발명의 팜사이즈 차동식 표면 플라즈몬 공명 측정 장치의 측정 포인트들을 나타낸 것으로, 상기 복합형 듀얼 센서셀로부터 관측된 것이다.
도 8 은 본 발명의 팜사이즈 차동식 표면 플라즈몬 공명 측정 장치의 분할 거울 (단계 1) 들의 개략도이다.
도 9 는 본 발명의 팜사이즈 차동식 표면 플라즈몬 공명 측정 장치의 분할 거울 (단계 2) 들의 개략도이다.
도 10 은 본 발명의 팜사이즈 차동식 표면 플라즈몬 공명 측정 장치에서, 분할 거울들을 이용해서 하나의 광검출기로 2 개의 검출을 하는 개략도이다.
도 11 은 본 발명의 팜사이즈 차동식 표면 플라즈몬 공명 측정 장치의 검출 시스템의 개략도이다.
도 12 는 화학센서화 시스템에서 표면 플라즈몬 공명 측정을 나타낸다.
도 13 은 전극타입 SPR 복합형 센서셀의 광에 노출된 표면의 개략도이다.
도 14 는 SPR 센서셀의 위치설정 가이드의 개략도이다.
도 15 는 점착성 광학 인터페이스 필름을 이용하는 검출 시스템의 개략도이다.
도 16 은 고분자 점착성 광학 인터페이스 필름을 형성하는 프로세스의 플로우차트이다.
도 17 은 차동 SPR 의 세기와 공명각 변화 사이의 관계를 나타낸 것이다.
도 18 은 본 발명에 따른 PBS 완충 용액 (pH 7.4) 을 이용한 공명각의 안정도를 나타낸 것이다.
도 19 는 단일-타입 장치의 공명각 신호들의 안정도를 나타낸 것이다.
도 20 은 본 발명에 따른 복합형 센서셀의 프로토타입의 개략도이다.
도 21 은 본 발명의 차동식 표면 플라즈몬 공명 측정 장치의 2,4-디클로로페놀 농도 추수 (following) 능력을 나타낸 것이다.
발명의 최선의 실시 형태
본 발명은 표면 플라즈몬 공명이 진정한 의미의 실시간으로 측정될 수 있다는 장점을 구현하기 위해 복합형 센서셀을 이용한다. 이 장치는 소형이고, 외란 (disturbance) 에 강하고, 동작이 매우 용이하다.
구체적으로, 환경오염 물질의 유비쿼터스한 측정을 달성하는 장치는, (1) 고감도이어야 하고, (2) 동작이 용이해야 하고, (3) 이동 부분 없이, (4) 소형이고, (5) 가볍고, (6) 현장 측정이 가능하고, (7) 휴대형이고, (8) 저렴하고, (9) 배터리로 동작하고, (10) 신뢰할 수 있고, (11) 화학센서화 되어야 한다. 본 발명에 의한 장치는 유비쿼터스 측정을 위한 이러한 요구들을 만족시킨다.
본 발명은 어디에서든지 유비쿼터스 표면 플라즈몬 공명 측정을 위해 누구든지 용이하게 이용할 수 있는 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다. 표면 플라즈몬 공명 측정 센서는, (1) 박막상의 시료 센싱부 및 참조 센싱부로 광을 방출하고, 광을 빔들로 분할하기 위해 반사광을 분할 거울들로부터 반사되게 하고, 빔들의 초점을 단일 선형 CCD 센서상에 나란히 맞추는 광학 시스템; (2) 시료 센싱부 및 참조 센싱부가 용이하게 배치되고, 프리즘에 배치된 박막상에 고정되는 센서셀을 포함하는 검출 시스템; 및 (3) 높은 접착력을 가지고, 매칭 오일과 동일한 굴절률을 가지고, 센서 베이스와 프리즘을 서로 기계적으로 누르는, 매칭 오일을 이용하는 한 필수적인 단계를 제거시키고, 종래의 매칭 오일을 대체할 수 있고 현장에서 작동시키기 용이한, 점착성 광학 인터페이스 필름을 포함한다. 본 발명의 표면 플라즈몬 공명 측정 센서는 시료 및 참조를 모두 동시에 측정할 수 있고, 따라서, 실시간 측정이 가능하다. 또한, 센서는 매우 소형일 수 있고, 민감하고, 작동시키기 용이해서 유비쿼터스 측정을 달성할 수 있다.
실시형태
이하, 본 발명의 실시형태들을 설명한다.
도 5 는 본 발명의 차동식 표면 플라즈몬 공명 측정 장치의 개략도이다.
이 도면에서, 인용부호 31 은 광원을 나타내고, 32 는 시료셀 (32A) 및 참조셀 (32B) 을 포함하는 SPR 검출기를 나타내고, 33 은 광분할 거울들을 나타내고, 34 는 시료 광 빔을 나타내고, 35 는 참조 광 빔을 나타내고, 36 은 광검출기를 나타내고, 37 은 프리앰프를 나타내고, 38 은 A/D 컨버터를 나타내고, 39 는 인터페이스를 나타내고, 40 은 컴퓨터를 나타낸다.
본 발명의 차동식 표면 플라즈몬 공명 측정 장치는 종래의 SPR 측정 창치를 소형화하는 것에 대한 구조적 한계를 극복하는데 목적을 두고, 도 5 에 나타낸 바와 같이, 광분할 거울 (33) 들을 사용함에 의한 단일 광원 및 단일 광검출기에 특징이 있는 신규의 SPR 광학 시스템을 포함하고, 따라서, 팜사이즈 (10 ㎝ (H) × 170 ㎝ (W) × 50 ㎝ (D) ) 이고 가볍게 (770 g) 소형화 된다. 본 발명의 팜사이즈 차동식 표면 플라즈몬 공명 측정 장치는 광학 시스템, 검출 시스템, 전기 시스템, 노트북 컴퓨터 (윈도우즈 XP 탑재), 및 SPR 신호들을 수신하고 그 신호들을 농도들로 변환하기 위한 컴퓨터 소프트웨어 (DUAL SPRWIN) 를 포함한다.
도 6 은 팜사이즈 차동식 표면 플라즈몬 공명 측정 장치의 광학 시스템의 개략도이고, 도 7 은 플라즈몬 공명 측정 장치의 측정 포인트들을 상기 컴비네이션 듀얼 센서셀로부터 바라본 것을 나타낸 것이다.
이들 도면에서, 인용부호 41 은 광원 LED (파장 : 770 ㎚ ) 로부터의 입사광을 나타내고, 42 는 프리즘을 나타내고, 43 은 고분자 점착성 광학 인터페이스 필름을 나타내고, 44 는 유리 기판을 나타내고, 45 는 센싱 필름들을 나타내고, 45A 는 시료 센싱 필름을 나타내고, 45B 는 참조 센싱 필름을 나타내고, d 는 시료 센싱 필름 (45A) 의 중심과 참조 센싱 필름 (45B) 의 중심 사이의 간격 (양 센싱 필름 (45a, 45b) 들의 측정 포인트들 사이의 간격) 을 나타낸다 . 이 실시형태에 서 그 간격은 전체적인 사이즈를 고려하여 5 ㎜ 로 설정된다. 인용부호 46 은 센서 지지부를 나타내고, 47 은 전극타입 복합형 듀얼 센서셀을 나타낸다. SPR 들이 측정되는 시료 센싱 필름 (45A) 및 참조 센싱 필름 (45B) 은 셀의 하측 부분에 배치된다. 이들 구성요소들은 시료 및 참조의 SPR 들을 측정하는 센서를 구성하고, 고분자 점착성 광학 인터페이스 필름 (43) 은 센싱 필름 (45) 들의 하측 표면의 밑에 놓인 유리 기판 (44) 상에서 눌러진다. 인용부호 48 은 원주렌즈를 나타내고, 49 는 평철렌즈 (planoconvex lens) 를 나타내고, 50 은 SPR 반사광을 나타내고, 51 은 반사기를 나타내고, 52 는 슬릿을 나타내고, 53 은 분할 거울 (53A) 및 다른 분할 거울 (53B) 를 포함하는 분할 거울 유닛을 나타내고, 54 는 하나의 분할 거울 (53A) 로부터의 반사광 빔을 나타내고, 55 는 다른 분할 거울 (53B) 로부터의 반사광 빔을 나타내고, 56 은 반사광 빔들을 단일 라인 상에 투영하는 선형 CCD 센서를 나타낸다.
상술한 바와 같이, 2 개의 거울 (53A, 53B) 를 포함하는 광분할 거울 유닛 (53) 은 광을 2 개의 광 빔들, 즉 시료 센싱 필름 (45A) 의 측정 포인트 (45a; 도 7 참조) 로부터의 반사광 빔 및 참조 센싱 필름 (45B) 의 측정 포인트 (45b; 도 7 참조) 로부터의 반사광 빔으로 분할한다. 보다 구체적으로는, 듀얼 센서셀 (47) 의 밑에 놓인 시료 센싱 필름 (45A) 및 참조 센싱 필름 (45B) 에서 시료 및 참조의 투과율에 따라 SPR 들에 의해 생성된 반사광 (50) 은 2 개의 광분할 거울 (53A, 53B) 에 의해 시료로부터의 반사광 빔 (54) 및 참조로부터의 반사광 빔 (55) 으로 분할된다. 이들 반사광 빔 (54, 55) 들은 선형 CCD 센서 (56) 에 의해 단일 라인상에 투영된다.
본 발명에서, 단일 광원으로부터 방출된 광 (41) 은 시료 센싱 필름 (45A) 및 참조 센싱 필름 (45B) 으로 조사되어 선초점이 형성됨으로써, 표면 플라즈몬 현상이 시료 센싱 필름 (45A) 및 참조 센싱 필름 (45B) 의 표면에서 발생한다. 센싱 필름들로부터의 반사광 (50) 은 분할 거울 유닛 (53) 에 의해 시료 광 빔 및 참조 광 빔으로 분할되고, 단일 선형 CCD 센서 (56) 의 단일 라인상에 에너지 손실없이 투영된다. 본 발명은 차동식 응용을 위한 전극타입 복합형 듀얼 센서셀 (47), 선초점 이미지 형성 기술, 및 반사광 분할 거울들을 특징으로 한다.
이하, 플라즈몬 공명 측정 장치의 분할 거울들의 위치에 대해 설명한다.
도 8 은 플라즈몬 공명 측정 장치의 분할 거울들의 위치 (단계 1) 를 나타내는 개략도이고, 도 9 는 플라즈몬 공명 측정 장치의 다른 분할 거울 (단계 2) 의 개략도이고, 도 10 은 분할 거울들을 이용해서 단일 광검출기로 2 개의 광학 검출을 하는 개략도이다.
센싱 필름들 (45A, 45B) 로부터의 반사광을 2 개의 분할 거울들 (53A, 53B) 을 통해 선형 CCD 센서 (56) 의 동일하게 배분된 센서 영역들에 투영하기 위해, 2 개의 거울들 (53A, 53B) 의 각도들이 2 단계로 조정된다.
이하, 분할 거울들 (53A, 53B) 들이 어떻게 배열되는지 및 거울들의 각도가 어떻게 조정되는지를 구체적으로 설명한다.
도 10 에 나타낸 바와 같이, 반사광 (50) 을 시료 광 빔 및 참조 광 빔으로 분할하기 위한 분할 거울들 (53A, 53B) 은, 각 분할 거울들 (53A, 53B) 상의 광분 할 포인트 (58A, 58B) 들이 Z-축 (57) 상에 위치하고, 그 사이의 간격이 d 인 시료 센싱 필름상의 측정 포인트 (45a) 및 참조 센싱 필름상의 측정 포인트 (45b) 로부터의 광 빔들을 포함하도록 배치되었다.
도 8 에 나타낸 바와 같이, 분할 거울 (53A, 53B) 은, 광분할 포인트 (58A, 58B) 들을 통과해서 연장되는 Z-축 (57) 을 중심선으로 해서, 이에 대해 각각 α 및 β 의 각도에서 배열됨으로써, 시료 센싱 필름 및 참조 센싱 필름상의 측정 포인트 (45a, 45b) 로부터의 SPR 반사광 (50) 을 선형 CCD 센서 (56) 를 향하는 방향으로 (도면의 우측방향) 2 개의 빔으로 분할한다.
도 9 에 나타낸 바와 같이, 분할 거울 (53A, 53B) 의 각도들은 θ 및 γ 로 조정됨으로써, 시료 센싱 필름 및 참조 센싱 필름상의 측정 포인트들 (45a, 45b) 에서의 SPR 반사광 (50) 이, 선형 CCD 센서 (56) 의 단일 라인상과 선형 CCD 센서 (56) 의 선형 광학 소자를 포함하는 XY 평면상의 Z-축 (57) 으로부터 수집된다.
상술한 바와 같이, 2 개의 분할 거울 (53A, 53B) 의 각도를 2 단계로 조정함으로써, 2 개의 반사광 빔 (54, 55) 들은, 시료 센싱 필름 및 참조 센싱 필름의 측정 포인트들 (45a, 45b) 로부터의 반사 광 빔들 사이의 간격이 d 로 유지된 채로, 측정 포인트로부터 수광 포인트로의 광학 경로의 차이 없이 형성된다. 따라서, 선형 CCD 센서 (56) 의 선형 광학 엘리먼트상에 SPR 신호 이미지를 형성하기 위해, 시료 센싱 필름 및 참조 센싱 필름의 측정 포인트들 (45a, 45b) 로부터의 반사광 (50) 은 왜곡없이 동일하게 광 빔들로 분할될 수 있다. 따라서, 팜사이즈 장치가 달성될 수 있다.
이하, 팜사이즈 차동식 표면 플라즈몬 공명 측정 장치의 검출 시스템을 설명한다.
팜사이즈 차동식 표면 플라즈몬 공명 측정 장치를 달성하기 위해, 광학 시스템 뿐만 아니라 검출 시스템도 팜사이즈로 소형화되어야 한다. 따라서, 본 발명의 본질적인 목적을 달성하기 위해서, 액체 펌프 등을 사용하지 않는 화학센서화 검출 시스템을 개발할 것이 요청된다.
도 11 은 본 발명의 팜사이즈 차동식 표면 플라즈몬 공명 측정 장치의 검출 시스템을 개략적으로 나타낸다. 도 11(a) 는 팜사이즈 차동식 표면 플라즈몬 공명 측정 장치의 검출 시스템의 개략도이고, 도 11(b) 는 도 11(a) 에서 절단선 A-A 를 따라 절단한 단면도이다.
이들 도면에서, 인용부호 61 은 프리즘을 나타내고, 62 는 고분자 점착성 광학 인터페이스 필름을 나타내고, 63 은 센서를 나타내고, 64 는 시료셀 (64A) 및 참조셀 (64B) 을 포함하는 듀얼 센서셀을 나타내고, 65 는 센서셀 가이드를 나타내고, 66 은 센서셀 지지 튜브를 나타내고, 67 은 센서셀 캡을 나타낸다.
이들 도면에 명확히 나타낸 바와 같이, 본 발명의 차동식 표면 플라즈몬 공명 측정 장치의 검출 시스템은 어떠한 펌프나 센서 홀더도 필요로 하지 않는다. 예를 들어, 널리 공지된 화학 센서인 pH 측정 유리 전극은 유리 또는 플라스틱 센서셀 지지 튜브의 단부에 pH 센싱 유리 박막을 포함한다. pH 측정 유리 전극은 은-은 클로라이드 참조 전극과 함께 시료에 삽입되어, 시료의 pH에 따른 전위차를 생성한다. 본 발명에 따른 화학센서화 시스템에서의 SPR 측정의 개념을 명확히 하기 위해서, 표면 플라즈몬 공명 (SPR) 측정 (도 12(b)) 을 pH 측정 유리 전극을 이용하는 종래의 pH 측정 기술 (도 12(a)) 과 비교한다.
도 12(a) 에서, 인용부호 71 은 시료를 나타내고, 72 는 pH 측정 유리 전극 (73) 및 은-은 클로라이드 참조 전극 (74) 를 포함하는 원통형 복합형 pH 전극을 나타내고, 75 는 pH 측정 유리 전극 (73) 과 은-은 클로라이드 참조용액 (74) 사이에 생성된 전위차를 측정하는 전위측정계를 나타낸다. 복합형 pH 전극 (72) 은 약 12 ㎜ 의 직경 및 약 150 ㎜ 의 길이를 갖는 막대형상이다. 검출부가 이러한 화학 센서 형상으로 설계된 경우, 검출부는 분리가능하고 장치의 구조가 단순화 될 수 있고, 용이하게 소형화될 수 있다. 또한, 이러한 장치는 용존산소 미터기 및 이온 농도 미터기를 포함한다.
도 12(b) 는 본 발명에 따른 화학센서화 시스템의 SPR 측정의 개요를, 가장 단순화한 화학 측정 시스템인 pH 측정 유리 전극 (도 12 (a)) 과 비교하여 나타낸 것이다.
도 12(b) 에서, 인용부호 81 은 SPR 신호들의 변화를 검출하기 위한 SPR 검출기를 나타내고, 82 는 특정 에너지를 가지는 광을 프리즘을 통해 센서로 전송하기 위한 고분자 점착성 광학 인터페이스 필름을 나타낸다. 고분자 점착성 광학 인터페이스 필름은 프리즘에 접착된다. 인용부호 83 은, 도 12(a) 의 복합형 pH 전극 (72) 에 대응하는, SPR 측정용 전극타입 복합형 듀얼 센서셀, 즉 복합형 SPR 전극을 나타낸다. 복합형 SPR 전극은 약 14 ㎜ 의 직경과 약 25 ㎜ 의 길이를 가지는 원통형이다. SPR 을 측정하기 위한 이 센서셀은, 전위 또는 전류를 측정하기 위한 바 형태 센서가 "ELECTRODE" 로 칭해지는 것과 비교해서, 막대형상의 센서라고 하는 의미에서 SPR 전극을 나타내는 "SPRODE" 로 칭해질 수 있다. 인용부호 84 는 측정하는 동안 센서셀을 고정하기 위한 센서셀 가이드를 나타내고, 85 는 시료셀을 나타내고, 86 은 참조셀을 나타내고, 85A 는 시료용액을 나타내고, 86B 는 참조용액을 나타낸다. 인용부호 87 은 센서셀의 베이스 역할을 하는 약 0.1 ㎜ 의 두께를 가지는 유리 기판 (필름) 을 나타내고, 88 은 유리 기판 (87) 상에 45 ㎚ 의 두께로 배치된 금 박막을 나타내고, 89 는 예를 들어, 금 박막 (88) 에 화학적으로 고정된 항체로 형성된 센싱 필름을 나타낸다. 인용부호 90 은 플라스틱 센서셀 지지부를 나타내고, 91 은 두께가 약 1 ㎜ 인 실리콘 시트를 나타내고, 92 는 센서셀 캡을 나타낸다.
도 13 은 전극타입 복합형 SPR 센서셀의 광에 노출된 표면을 나타낸다. 도 13 에서, 인용부호 101 은 프리즘과 센서셀 사이의 인터페이스에서의 선초점에 이미지를 형성하는 광을 나타내고, 104A 는 시료셀의 바닥에 배치되는 시료 센싱 필름의 중심을 나타내고, 104B 는 참조셀의 바닥에 배치된, 참조 센싱 필름, 즉, 금 증착 박막의 중심을 나타낸다. 이들 포인트들 (104A, 104B) 은 5 ㎜ 의 일정한 간격을 가진다. 인용부호 112 는 유리 기판 (필름) 을 나타내고, 113 은 유리 기판 (112) 상에 배치된 참조 센싱 필름을 나타내고, 114 는 유리 기판 (112) 상에 배치되고, 항체 등이 고정되는 시료 센싱 필름을 나타내고, 115 는 센서셀 지지 튜브를 나타낸다.
도 14 는 SPR 센서셀의 위치설정 가이드를 나타낸다. 도 14 에서, 인용 부호 109 는 센서셀 가이드를 나타내고, 117 은 센서셀 캡을 나타낸다. 인용부호 118A 및 118B 는 센서셀 가이드 (109) 를 장치의 본체인 SPR 검출기에 고정시기키 위해 사용되는 나사 구멍들을 나타낸다. 인용부호 119A 는 센서셀 가이드의 측정 위치 가이드라인을 나타내고, 119B 는 센서셀의 측정 위치 가이드라인을 나타낸다.
본 발명에서, 약 100 ㎛ 의 폭 및 약 10 ㎜ 의 길이를 가지는 선초점을 형성하기 위해 프리즘을 노광시킴으로써 SPR 이 유발된다. 따라서, SPR 이 발생하는 시료 센싱 필름 및 참조 센싱 필름상의 반응 포인트들이, 선초점상에 시료 및 참조 센싱 필름들의 중심들간의 간격 d 를 5 ㎜ 로 유지하고 위치된다. 센서셀 가이드의 측정 위치 가이드라인 (119A) 이 선초점과 정렬된 후, 센서셀 가이드 (109) 는 나사 구멍들 (118A, 118B) 을 이용하여 본체에 고정된다. 나사 구멍들 (118A, 118B) 은 센서셀 가이드 (109) 를 본체에 고정하고 SPR 검출을 위해 위치설정 역할을 하며, 나사 구멍의 직경은 임의로 설정될 수 있다.
이하, 고분자 점착성 광학 인터페이스 필름을 설명한다.
기본적으로, 센서의 베이스의 역할을 하는 금 증착 필름은 프리즘상에 직접 형성되어야 한다. 그러나, 이 프로세스는 측정을 위한 운영 비용을 증가시킨다. 이러한 금 필름을 대체할 수 있는 것으로, 금이 증착된 마이크로스코프 커버 유리들이 센서의 베이스로서 주로 이용된다. 이 접근법에서는, 프리즘과 유리 기판사이의 광학 매칭을 보장하기 위해, 센서 베이스 역할을 하는 프리즘 및 유리 기판과 같은 굴절률을 가지는 매칭 오일이 사용되어야만 한다. 또한, 표면 플라즈몬 공명은 금 표면에서부터 100 ㎚ 이하의 깊이에서만 발생하기 때문에, 플로우 셀, 유리 기판, 및 프리즘이, 평활성을 유지하기 위해 그것들 사이에 오일을 함유한 채, 기계적으로 균일하게 눌려진다. 그러나, 그러한 접근법은 현장 측정에는 부적절하다. 따라서, 본 발명에서는 광학 매칭을 보장하고, 센서셀에 용이하게 고정되는, 새롭게 개발된 고분자 점착성 광학 인터페이스 필름이 이용된다.
오일을 사용하지 않는 점착성 광학 인터페이스 필름은 이미 본 발명자들에 의해 보고되었다. 그러나, 이 필름은 재현성, 투명성, 점착성에서 문제점을 가지고 있다. 본 발명의 고분자 점착성 광학 인터페이스 필름은 그 오일을 사용하지 않는 필름의 진보된 타입이다.
매칭 오일을 대신하여 고분자 필름을 사용하기 위해서, 고분자 필름은, (1) 무색 투명하고, (2) 높은 점착성을 가지고, (3) 매칭 오일과 같거나 비슷한 굴절률을 가져야 하고, (4) 분석 화학 관점에서, 매칭 오일과 절대적으로 동일하거나 상대적으로 대응하는 SPR 신호들을 생성해야 한다. 먼저, 본 발명자들은 이러한 요구들을 만족시키는 고분자 필름을 생성하는 방법에 대한 연구를 수행했다. 신규한 점착성 광학 인터페이스 필름은, 일반적인 PVC 랩핑 필름 형성과 유사한 방식으로, 용이하게 입수가능한 폴리염화비닐 (PVC, 중합도: 700) 로 형성된다.
도 15 는 고분자 점착성 광학 인터페이스 필름을 이용한 검출 시스템의 개략도이다.
이 도면에서, 인용부호 121 은 프리즘을 나타내고, 122 는 고분자 점착성 광 학 인터페이스 필름을 나타내고, 123 은 유리 필름 (기판) 을 나타내고, 124 는 금 증착 필름을 나타내고, 125 는 시료 센싱 필름을 나타내고, 126 은 시료용액을 나타낸다. 이 도면에 나타낸 바와 같이, 광학 인터페이스는 고체 필름에 의해 정의된다.
도 16 은 고분자 점착성 광학 인터페이스 필름을 형성하는 프로세스의 플로우차트이다. 이하, 이 도면을 참조하여, 이 프로세스의 기본 절차를 설명한다.
PVC 분말을 테트라히드로푸란 (THF) 에 용해시키고, 가소제로서 2―에틸헥실 프탈레이트 (DOP) 및 트리톨릴 포스페이트 (TCP) 를 그 용액에 가한 후, 페트리 접시에서 용액을 캐스트하고, 온도제어 가능한 코닝 플레이트 건조기에서 2시간 동안 120 ℃ 로 열건조 시킴으로써, 높은 재현성으로 무색 투명한 막을 형성할 수 있다는 것이 밝혀졌다. 건조 온도의 효과를 연구하였다. 그 결과, 건조 온도가 낮을수록 SPR 용 필름 형성에 더 적합하다는 것이 밝혀졌다. 실험 결과에 따라, 80 ℃ 에서 형성된 필름들이 점착성 및 분리성에 있어서 SPR 용으로 가장 우수했다.
분명히, PVC 에 대해 높은 친화성을 가지고 따라서 PCV 와의 상호작용을 약하게 해서 녹는점을 낮추는 가소제가, 80 ℃ 의 제어된 건조 온도에서 PVC 분자들의 미끌어짐을 향상시켜서, 고무 탄성 및 점착성을 생성하는 것이다. 또한, PVC 분자들은 가소제 및 온도의 영향에 의해 그것들의 분자간힘으로부터 릴리즈되어, 분자들의 미끌어짐을 향상시킴으로써 필름이 플렉시블하게 된다. 따라서, 그렇게 형성되는 필름이 결정 상태에서 비결정상태로 변화하는 것으로 생각된다.
그 후, 가소제와 PVC 의 비율이 다른 다양한 조성을 가지는 PVC 필름들을 형성하고, PVC 필름들의 굴절률을 ATAGO 사에 의해 생산된 Abbe 굴절률 측정계로 측정했다. 그 결과, 0.2 g 의 PVC 당 상대적으로 각 0.5 g 의 DOP 및 TCP 를 포함하는 조성을 가지는 필름이 1.5211 의 굴절률을 가져서, 1.5150 인 매칭 오일의 굴절률과 가장 근사한 값을 가지는 것으로 나타났다. 따라서, 이 조성의 필름을 점착성 광학 인터페이스 필름으로 채택했다. 이 필름을 미리 센서셀 또는 프리즘의 단부에 밀착시키고, 센서셀의 가이드라인을 따라 센서셀의 원통형 지지부에서 로딩한다. 센서셀을 프리즘상에 집게 손가락으로 약 20 N 의 힘으로 누른다. 이렇게 함으로써, 최적의 SPR 이 얻어진다.
지금까지, 본 발명의 필수적 구성요소, 즉, 광학 시스템, 검출 시스템, 및 고분자 점착성 광학 인터페이스 필름을 구체적으로 설명하였다. 이러한 구성요소들을 가지는 팜사이즈 차동식 표면 플라즈몬 공명 측정 장치는 다음과 같은 사양을 가진다.
(1) 장치
원리 : 표면 플라즈몬 공명 (SPR)
차동 시스템 : 분할 거울, 단일 수광 소자
SPR 측정 배치 : Kretchmann 배치
측정 범위 : 65° 내지 70°
전원 : AC/DC (100 V 또는 9 V 배터리)
최대 연속 작동 시간 : 10 시간
크기 : 170 × 100 × 50 ㎜
본체 중량 : 770 g
(2) 광학 시스템
광원 : 점광원 LED (파장 : 770 ㎚, 반-폭 : 50 ㎚)
프리즘 재질 : BK7
편광 필터 : 소광비 0.00071
수광 소자 : 2048 픽셀 CCD 라인 센서
금 기반 사이즈 : 각 모서리 14 ㎜ 이내
광학 인터페이스 : 점착성 PVC 필름
(3) 검출 시스템
센서셀 : 복합형 SProde
플로우 셀 : 유량 1 내지 100 ㎕/분
시료 부피 : 1 ㎕ 이상
(4) 성능
공명각 안정성
단일 라인 : 0.0002°
차동 라인 : 0.0004°
이하, 본 발명에 따른 프로토타입 형태의 차동식 표면 플라즈몬 공명 측정 장치의 실시형태를 설명한다.
차동식 표면 플라즈몬 공명을 검출하기 위한 광학 시스템, 복합형 센서셀, 및 점착성 광학 인터페이스 PVC 필름의 프로토타입을 만들고, 차동식 표면 플라즈몬 공명 측정 장치로 조립했다. 장치의 성능평가를 수행하였다.
1. SPR 세기와 공명각 변화 사이의 관계
도 17 은 차동식의 SPR 과 공명각의 변화 사이의 관계를 나타낸다. 도 17(a) 는 복합형 센서셀의 시료셀 (A) 및 참조셀 (B) 을 pH 7.4 의 완충 용액으로 채움으로써 준비된 블랭크 셀의 SPR 곡선들을 나타낸다. 블랭크 테스트에서 시료셀 (A) 및 참조셀 (B) 의 SPR 세기들이 동일하기 때문에, 그것들의 SPR 들은 서로 일치한다. 도 17(b) 는 참조셀 (B) 이 동일한 완충 용액을 포함하고, 시료셀 (A) 이 pH 7.4 의 완충용액으로 조정된 0.1 mol/ℓ 의 글루코스를 포함하는 경우의 SPR 커브들을 나타낸다. 공명각은 글루코스 농도의 변화에 따라 변하고, 시료 공명각과 참조 공명각의 차이를 계산함으로써 차동식 표면 플라즈몬 공명 측정 장치가 달성될 수 있다는 것이 밝혀졌다. SPR 곡선들의 차이는 복합형 센서셀의 2 개의 포인트에서의 SPR 들이 분할 거울에 의해 정확하게 분리된다는 것을 제시한다.
2. 본 발명의 공명각 안정성
도 18 은 본 발명에 따라 PBS 완충 용액 (pH 7.4) 을 사용했을 때의 공명각의 안정성을 나타낸 것이다. 도 18(b) 는 참조셀의 단일 라인 공명각 [B] 의 변화를 나타내고, 도 18(a) 는 시료셀과 참조셀 사이의 차이인 차동 라인 공명각의 변화 [A-B] 를 나타낸다. 이들 결과들은 본 발명에 따른 단일 라인 공명각의 안정성이 0.0002°이고, 차동 라인 공명각의 안정성이 0.0004°인 것을 나타낸다. 반면에, 도 19 에 나타낸 바와 같이, 동일한 원리에 기초한 단일 모드 표면 플라즈몬 공명 측정 장치의 안정성은 0.001°였다. 본 발명에 따른 차동 장치의 각도 분해능은 단일 모드 장치보다 5 배 이상 향상되는것이 밝혀졌다. 차동 라인 각도 안정성은 0.0004°였고, 단일 라인 각도 안정성보다 컸다. 이것은 아마도 시료셀 (A) 과 참조셀 (B) 의 공명각 사이의 차감으로부터 기인하는 음의 편차 (negative variation) 때문인 것이다. 본 발명의 광학 시스템은 단일 모드 장치와 동일하게 2048 픽셀 CCD 라인 센서를 이용한다. 차동 장치에서, 센서셀로부터의 반사광은 분할 거울에 의해 2 개의 빔으로 분할되고, 실용 픽셀 수는 900 으로부터 500 으로 약 절반정도 감소된다. 따라서, 본 발명자들은 단일 라인 분해능이 5 배 향상된 것으로 생각했다. 따라서, 실용 픽셀 수는 분할 거울들을 조정함으로써 250 으로 감소되었다. 그 결과들이 표 1 에 나타나 있다.
Figure 112006094045024-pct00025
표 1 에 명확히 나타낸 바와 같이, 단일 라인 공명각의 안정도는 0.00004°였고, 따라서, 분해능은 예상한 바와 같이 5 배 더 증가되었다. 같은 이유로, 차동 라인 공명각의 안정성은 0.00008°였다. 상술한 바와 같이, 본 발명의 광학 시스템을 이용하는 차동식 표면 플라즈몬 공명 측정 장치의 공명각의 분해능은 실용 픽셀수의 역수에 비례하는 것으로 밝혀졌다.
3. 면역학적 측정에의 응용
본 발명의 차동식 표면 플라즈몬 공명 측정 장치를 면역학적 측정에 적용할 수 있는 가능성을 나타내기 위해, 복합형 센서셀의 프로토타입을 제작하고, 다이옥신과 유사물로 알려져 있는 2,4-디클로로페놀의 SPR 을 측정했다.
도 20 은 복합형 센서셀의 프로토타입의 구조를 나타낸다. 이 도면에 나타낸 바와 같이, 직경이 14 ㎜ 이고 높이가 20 ㎜ 인 본체를 가지는 복합형 센서셀 (130) 은 45 ㎚ 두께의 금 증착 필름 (136) 을 가지는 유리 기판 (135), 에폭시 수지 지지 튜브 (134), 및 직경이 16 ㎜ 인 센서셀 캡 (131) 을 포함한다. 시료셀 (132) 및 참조셀 (133) 은 각각 3.5 ㎜ 의 내부 직경을 가지고, 이 2 개의 셀들 사이의 간격은 5 ㎜ 로 설정된다. 2,4-디클로로페놀 복합형 면역센서를 준비하기 위해, 복합형 센서셀 (130) 의 시료셀 (132) 에, 2,4-디클로로페놀 항체를 종래의 방식으로 고정시켰다. 4 개의 2,4-디클로로페놀 복합형 면역센서들을 준비했다. 참조셀들 (133) 각각을 참조용액으로서의 PBS 완충 용액 (pH 7.4) 으로 채웠다. 시료셀들 (132) 을 각각 PBS 완충 용액으로 농도를 조정한, 10, 25, 50, 100 ppm 2,4-디클로로페놀 용액으로 각각 채우고, 이렇게 하여, 측정용 센서셀들이 준비되었다. 판정을 위해, 센서 가이드를 따라 측정 장치의 본체에 미리 고정시킨 점착성 광학 인터페이스 PVC 필름 위에 복합형 센서셀을 조심해서 떨어뜨리고, 검지 손가락을 이용해 약 20 N 의 압력을 가한다. 프리즘의 10 ㎜ 의 선초점 상의 시료셀 (132) 및 참조셀 (133) 의 SPR 센싱 표면들상의 각 포인트에서 생성된 SPR 에 의해 감소된 시료 및 참조의 반사 광 빔들을 CCD 수광 소자를 이용해 측정한다.
도 21 은 이렇게 얻어진 측정 커브를 나타낸다. 이 도면에서 명확히 나타난 바와 같이, 센서셀들이 서로 편차를 갖더라도, 10 내지 100 ppm 의 2,4-디클로로페놀 농도 영역에서 0.973 의 멀티플 상관계수를 가지는 만족스러운 측정 곡선이 얻어졌다. 따라서, 항체가 복합형 센서셀의 시료셀에 고정되는, 본 발명의 차동식 표면 플라즈몬 공명 측정 장치는 항체를 라벨링하지 않고도 실시간으로 항원-항체 반응을 즉시 측정할 수 있다. 비록 이 섹션은 SPR 면역센서를 설명했지만, 본 발명은 당연히, SPR 측정용으로 일반적으로 사용될 수 있는 어떠한 화학센서화 시스템도 이용할 수 있고, 어떠한 물질도, 그 물질이 기능성 물질과의 상호작용을 생성할 수 있고, 그 결과, 굴절률을 변화시키는 한, 화학센서화 시스템에서 센싱될 수 있다.
본 발명의 실시형태들을 설명했다. 본 발명은, 그 응용이 실험실에서의 연구용으로만 제한되어온 SPR 측정 장치가 이하의 장점을 달성하도록 하는 것으로,
(1) 광학 시스템을 새롭게 설계함으로써, SPR 측정 장치가 소형화될 수 있고, 차동적으로 작동될 수 있고, 높은 분해능을 가진다.
(2) 판정 절차를 단순하게 하기 위해서, 새롭게 설계된 고분자 점착성 광학 인터페이스 필름 및 복합형 센서셀을 이용하고, 누구든지 어디에서나 용이하게 작동시킬 수 있는 저렴한 휴대용 소형화된 장치가 제공되고, 따라서, 유비쿼터스 측정이 달성된다.
특히, 다이옥신 등의 환경호르몬, 각성제, 마약 등을 포함하는 저-분자-중량 유기화합물과 같은 화학 오염물질은 사회에 영향을 미칠 수 있는 것으로 우려되고 있다. 그러나, 그러한 화합물들을 측정하는 장치가 고가이고 작동시키기 어렵기 때문에, 그러한 위해한 유기 화학 화합물에 관한 과학적 정보의 양이 적다. 따라서, 현장에서 누구나 어디에서나 용이하게 작동시킬 수 있고, 다양한 타입의 정보를 제공해줄 수 있는 휴대용 장치가 요망된다. 그러나, pH, DO (용존 산소), 및 특정 이온들과 같은 비유기화합물만이 팜사이즈 액침 (immersion) 타입 센서화 장치에 의해 측정될 수 있고, 비유기화합물을 측정하기 위한 간이화된 장치는 지금까지 없었다. 본 발명은 센싱될 물질이 고정되는 시료 센싱 필름 및 참조 센싱 필름을 포함하는 복합형 센서셀을 제공한다. 따라서, 본 발명은 유기화합물용의 신규한 센서-프레싱 SPR 측정 (SProde 방법) 을 선도하는 것으로 생각된다. 그러나, 환경호르몬 등의 저-분자-중량 유기화합물의 환경에서의 농도는 보통 ppt (pg/㎖) 내지 ppb (ng/㎖) 의 차원일 정도로 매우 낮다.
약 200 분자 중량을 가지는 저분자 유기화합물의 면역학적 SPR 측정의 검출 감도는 약 100 ng/ℓ이다. 2,4-디클로로페놀 (분자 중량 : 175) 등과 같은 저분자 유기화합물의 면역학적 SPR 측정의 검출 감도를 향상시키기 위해서, 항체 및 항원을 첨가해서 항체고정화 센서와 경합시키는 경합법이 일반적으로 채택되고 있다. 이 방법의 검출 감도는 약 5 ppd 이다. 그러나, 이 방법은 절차에서의 단계의 수를 한 개 증가시키고, 따라서, SPR 이 실시간으로 측정될 수 있는 장점을 손상시킨다. 그러나, SPR 측정에서의 절대적인 검출 감도의 부족은, 직접 측정이 가능한 고체 상태 추출에 의해 보상될 수 있다. 고체 상태 추출은, 범용적이고 1000 배 농축을 간단하게 할 수 있게 하므로, SPR 측정에서의 감도 부족을 보상하는데 적합하다. 표 2 는 고체 상태 추출이 2,4-디클로로페놀의 125 배 농축을 달성할 수 있는지에 대한 가능성의 연구 결과를 나타낸다.
Figure 112005059913657-pct00003
IST 에 의해 생산된 디비닐벤젠 열 (column) ENV+ (고체 중량 : 200 ㎎; 저장 부피 : 6㎖) 가 추출 열로서 사용되었다. 시료 1 ℓ (pH 2) , 유량 60 ㎖/분, 0.1 % 포름산 / 50 % 메탄올의 용출액 8 ㎖ 의 조건하에서 농축이 수행되었다. 표 1 은, 추출 로스는 있지만, ppb 오더의 2,4-디클로로페놀이, -8.7 % 의 평균 오차를 가지고 확실하게 ppm 오더로 농축되는 것을 명확하게 나타낸다. 현 시점에 있어서도, 상기 결과들 및 고체 상태 추출의 조합은 본 발명의 측정 장치를 이용하여 ppb 오더에서 2,4-디클로로페놀의 판정을 달성할 수 있다. SPR 은 센서와의 인터페이스로부터 100 ㎚ 깊이에서 발생하기 때문에, 약 1 ㎕ 부피의 시료로도 판정에 충분하다. SPR 의 이 장점을 취하면서, 분석을 위한 1 ㎕ 의 시료를 추출하기 위해 추출 열을 마이크로 사이즈화시킴으로써, 추출 효율이 더욱 향상될 수 있다. 이 경우에, 1 ppt 의 2,4-디클로로페놀은 1 ℓ의 원수 (raw water) 로부터 판정될 수 있다.
지금까지, 본 발명에 따른 실시형태들을 설명하였고, 팜사이즈의, 본 발명의 차동식 표면 플라즈몬 공명 측정 장치는, 그 응용이 실험실 용도로 제한되었던 종래의 SPR 측정 장치와 동일하거나 더욱 우수한 기본적 성능들을 나타낸다. 또, 본 발명의 장치는 휴대용이고 사용하기 용이해서, 누구나 어디에서든지 작동시킬수 있다. 본 발명의 장치가 사회로 전파된다면, 차동식 플라즈몬 공명 측정 장치를 이용한 유비쿼터스한 접근법들이, 유기화합물과 관련된, 환경, 분석화학, 의약, 안전, 화학산업, 및 연구 등의, 다양한 분야들에 제안될 수 있고, 따라서, 많은 양의 중요한 정보가 생산될 수 있다. 이 정보는 다양한 분야에서의 적합한 의사결정에 기여할 것이다. 따라서, 본 발명은 인류 사회를 향상시키고 발전시키는데 확실히 도움이 될 것이다.
본 발명은 다음과 같은 장점들을 가진다.
1. 광학 시스템
본 발명에 따른 광학 시스템은 다음과 같은 특징들을 가진다. 종래의 광학 시스템은 프리즘상의 시료 칩의 단일 포인트를 측정하는 반면에, 본 발명은 SPR 신호들을 포함하는 프리즘상의 2 개의 포인트들로부터의 반사광을 2 개의 빔들로 분할시키고, 그 빔들을 2 개의 분할된 거울에 의해 광검출기의 2 개의 지점에 투영시킴으로써, 프리즘상의 센서의 2 개의 포인트들을 측정하는 것을 가능하게 한다. 종래의 장치에서와 동일한 선형 CCD 소자가 사용된다면, SPR 신호들의 이론적인 분해능은 종래의 장치의 그것보다 1/2 로 감소된다. 그러나, 충분한 수의 데이터 포인트들이, 컴퓨터 계산을 이용한 고분해능 피크 검출을 위해 보장되기 때문에, 각도 분해능에는 문제가 없다.
종래의 광학 시스템에 2 개의 선형 CCD 센서들이 사용된다면, 전자장치들은 2 개의 프리앰프, 2 개의 A/D 컨버터를 포함해야만 하고, 결과적으로, 비용과 사이즈를 증가시킨다. 이하, 본 발명에 따른 광학 시스템의 장점들을 명확하게 나타낸다.
(1) 소형 차동식 시스템의 설계
단일 선형 CCD 센서를 이용하는 구조의 장점을 이용하여, 차동식 표면 플라즈몬 공명 측정 장치를 소형화할 수 있는 신규한 광학 시스템이 제공된다. 실제로, 프로토타입은 170 ㎝ (W) × 100 ㎝ (H) × 50 ㎝ (D) 로 측정되고, 무게는 770 g 이다. 또, 본 발명에 따른 광학 시스템은 분할 거울들을 반사판으로 대체함으로써 종래의 단일 모드 광학시스템에 사용될 수도 있다.
(2) 온도 보상
종래 장치에 의한 1-포인트 측정에서는, 원칙적으로 SPR 신호들이 시료의 굴절률 (또는 투과율) 의 측정으로부터 유도된다. 따라서, 신호들은 온도에 의존하여 드리프트 (drift) 한다. 이 드리프트를 보상하기 위해서, 온도를 측정하기 위해 고분해능을 가지는 반도체 온도센서 등이 추가적으로 설치되고, 측정된 온도에 따라 SPR 신호 데이터가 교정되는 것이 필수적이었다. SPR 신호들이 항원-항체 반응에서 바이오센서용으로 사용되는 경우, 그것들의 변화량은 극히 적다. 따라서, 높은 온도 계수를 가지는 온도 보상용의 시료용액 및 다른 시료가 차동식 SPR의 시료 칩상의 2 개의 측정 포인트들에 온도 센서 대용으로 배치된다. 또한, SPR 신호들의 온도 보상을 위해, 이 신호들의 온도 특성과 매칭하는 온도 센서가 이용된다. 본 발명에서, 시료용액 및 시료용액과 동일한 조성을 갖지만 측정 대상을 포함하지는 않는 온도 보상용의 참조용액을 단일 센서상의 2 개의 측정 포인트들에 배치함으로써, 동일 센서상의 2 개의 측정 포인트들에 있는 동일 조성을 가지는 용액들의 굴절률 및 온도변화가 각각 실시간으로 보상된다. 따라서, 항원-항체 반응에 따른 SPR 신호들이 측정될 수 있다.
(3) 실시간 SPR 측정
시료 및 시료와 동일한 조성을 가지지만 측정 대상을 포함하지는 않는 참조용액이 동일 센서상의 시료셀 및 참조셀에 각각 배치된다. 이들 2 개의 포인트들이 동시에 측정됨으로써, SPR 신호들의 반응전 제로 포인트가 연속적으로 측정되고 있는 동안에 시료의 SPR 신호들이 측정된다. 따라서, 2 개의 포인트간의 차이로부터 분석대상과의 반응후의 SPR 신호들이 실시간으로 얻어질 수 있다. 또한, 시료용액 및 시료용액과 동일한 조성을 갖지만 소정 농도의 측정대상을 포함하는 참조용액이 동일 센서의 시료셀 및 참조셀이 각각 배치될 수도 있다. 이들 2 개의 포인트들은 동시에 측정됨으로써, 반응량의 기준 역할을 하는 참조용액의 SPR 신호들이 항상 측정되는 동안에, 참조용액의 SPR 신호들과 시료용액의 SPR 신호들 사이의 차이가 단일 검출기상에서 실시간으로 관찰된다. 이 측정에서, 측정대상의 농도들의 비교는 실시간으로 관찰될 수 있다. 따라서, 이 측정은 스크리닝 및 온-오프 알람 등에 적용될 수 있다.
(4) 멀티포인트 측정
SPR 복합형 센서셀의 5 ㎜ 의 간격을 가지는 2 개의 포인트에서의 SPR 신호들이, 프리즘 및 점착성 광학 인터페이스 PVC 필름을 통해, 분할 미러에 의해 시료 및 참조의 신호로 분할되고, 하나의 광검출기상에서 측정되는, 2 개의 포인트 차동 시스템을 이용하는 본 발명을 구체적으로 설명하였다. 측정 포인트들간의 간격을 감소시키거나, 센서를 마이크로칩으로 소형화하거나, 또는 역으로 센서 또는 프리즘의 크기를 일정한 크기로 확대함으로써, 3 내지 n 개의 측정 포인트에서의 멀티포인트 SPR 이, 기본적으로 동일한 광학 시스템 및 3 내지 n 개의 분할 거울들을 가지는 단일 광검출기를 이용하여 측정될 수 있다.
2. 검출 시스템
(1) 복합형 센서셀 (SProde)
복합형 센서셀은 종래의 표면 플라즈몬 측정 가능성의 범위를 확장함으로써 실현될 수 있고, SPR 측정용 화학센서화 시스템의 개발로부터 기인한다. 일반적으로, pH 측정용 유리전극은, 수소 이온 농도에 선택적으로 응답하는 유리막의 인터페이스에서 생기는 전기화학적인 현상을 측정하기 위한 막대 형상의 센서라는 의미에서, pH 전극으로 칭해진다. 본 발명의 SPR 복합형 센서셀은, 측정 대상에 선택적으로 응답하는 센싱 필름의 인터페이스에서 생기는 광 변화인, 표면 플라즈몬 공명을 pH 전극과 유사한 막대 형상 센서의 형태로 측정한다. 본 발명의 복합형 센서셀은, SPR 에 따른 광 검출에 기초하는 신규 화학 센서로 정의될 수 있고, 따라서, SProde 로 칭해진다. 이것은 화학 센서 분야에서 새로운 영역을 탄생시킨다.
상술한 바와 같이, SPR 측정 화학센서화 시스템은, 그 응용을 확대함으로써, 실험용으로만 의도된 표면 플라즈몬 공명 측정 장치를 누구나 어디에서든지 용이하게 작동시킬 수 있는 현장 필드 장치로 단순화시킬 것으로 기대된다.
표면 플라즈몬 공명을 측정하는 종래의 방법에서, 셀 홀더를 사용하는 플로우 셀은 광학 매칭 오일을 사이에 두고 센서와 기계적으로 밀착된다. 그 후, 참조용액이 펌프를 이용해 플로우 셀로 전달되고, 이 때 생성된 SPR 의 광 세기가 저장된다. 그 후, 시료에 대해 동일한 조작이 행해지고, SPR 신호들간의 차이가 비교되어 측정대상의 농도를 나타낸다. 그러나, 이 방법은 SPR 측정을 위해 시료를 전달하기 위한 고가의 펌프 및 플로우 셀을 기계적으로 누르기 위한 셀 홀더를 이용하기 때문에, 현장 필드용을 위한 장치의 소형화 및 단순화가 제한된다. 또한, 이 방법의 검출 시스템은 여전히 해결되어야 할 문제점을 가진다. 특히, 이 방법은 참조용액 및 시료용액의 측정들간에 시간 지연을 유발하기 때문에, 진정한 의미의 실시간 측정을 실현할 수 없다. 또한, 차동 시스템을 위해 2 개의 플로우 경로가 필요하고, 따라서, 그 구조가 공간적 제약을 가진다.
본 발명은 복합형 센서셀 및 고분자 점착성 광학 인터페이스 필름을 제공함으로써 종래 방법의 이들 문제점들을 해결한다. 본 발명에서, SPR 을 유발하기 위한 에너지 역할을 하는 가시광선이 LED 광원 (파장 : 770 ㎚) 으로부터 방출되고, 시료 센싱 필름 및 참조 센싱 필름에서 동시에 생성되는 SPR 신호들을 측정하기 위해, 복합형 센서셀 상의 시료 센싱 필름 및 참조 센싱 필름상에 선초점이 형성된다. 따라서, 시료 및 참조의 SPR 신호들에 따른 상대적인 값이 진정한 의미의 실시간으로 얻어진다. 본 발명은, 많은 수의 측정 시료에 대해, 온/오프 스크리닝 응용에도 용이하게 이용될 수 있다.
(2) 실시간 센싱
단순화된 면역학적 방법을 위해, ELISA 법으로 알려진 효소면역 접근법이 일반적으로 채택된다. 측정될 항원-항체 반응이 효소 시스템으로 도입되고, 물리적인 비특이적 흡착의 영향을 제거하기 위해 B/F 분리가 필요하기 때문에, 이 방법은 실시간 측정을 실현하지 못한다. 이들 단계들은 판정 시간을 증가시키고, 따라서, 현장 필드 측정에는 부적절하다. 반면에, SPR 측정은 원칙적으로 실시간 측정을 실현할 수 있다. 그러나, 플로우 셀을 이용하는 측정은, 블랭크를 측정한 후 시료들이 측정되고, 그 후 그 신호들의 차이가 취해지기 때문에 엄밀한 의미에서 실시간으로 수행되는 것이 아니다. 시료들 또는 블랭크를 센서에 도입하기 위한 펌프가 사용되지 않는 본 발명의 복합형 센서셀을 이용하는 시스템에서는, 시료셀 및 참조셀의 선초점 상의 미리 정해진 간격에서 SPR 이 발생한다. 따라서, CCD 라인 센서에 의해 검출되는 반사광이 시간 지연 없이 실시간으로 측정될 수 있다.
(3) SPR 면역학적 측정의 신뢰성
(2) 에서 상술한 바와 같이, 종래의 ELISA 방법은 면역 반응에 따른 정보를 얻기 위해 B/F 분리를 필요로 한다. 본 발명의 복합형 센서셀 시스템은 시료셀 및 참조셀에서 발생하는 SPR 을 동시에 측정할 수 있다. 따라서, 면역 반응에 따른 신호, 비특이적 신호, 및 벌크 성분에 따른 신호를 시료셀에서 측정하고, 비특이적 신호 및 벌크 성분에 따른 신호를 참조셀에서 측정함으로써, 면역 반응에 따른 신호들이 B/F 분리의 단계 없이 선택적으로 측정될 수 있다.
3. 고분자 점착성 광학 인터페이스 필름
종래의 방법에서, 프리즘과 센서간의 광학 매칭을 보장하기 위해, 프리즘 및 센서 베이스인 유리 기판과 동일한 굴절률을 가지는 매칭 오일을 각 측정전에 프리즘에 바르고, 유리 기판을 포함하는 센서는 프리즘상에 배치된다. 또, 센서를 프리즘과 밀착시키기 위해서, 센서를 센서 홀더로 기계적으로 누른다. 또한, 매칭 오일은 유독성이고, 세심하게 사용되어야 한다. 이러한 매칭 오일은 필드에서 사용하기 위한 장치로는 부적절하다. 본 발명에서는, 점착성 인터페이스 PVC 필름이 프리즘에 미리 고정되어 있는 한, 복합형 센서셀을 점착성 인터페이스 필름상에서 집게 손가락으로 누르는 것만으로도 족하다. 그 필름이 점착성이기 때문에, 센서셀이 요구되지 않는다. 또한, 필름의 용제는 PVC 에 의해 고체화되어 있기 때문에, 오일에 비해 매우 안전하다. 고분자 점착성 광학 인터페이스 필름은 본 발명의 차동식 표면 플라즈몬 공명 측정 장치를 소형화하고, 그 작동을 안전하고 용이하게 만든다.
본 발명의 주요한 장점들을 설명하였다. 차동식 표면 플라즈몬 공명 측정 장치는, 복합형 센서셀을 이용하여 진정한 의미의 실시간으로 SPR 이 측정될 수 있는 장점을 구현한 것으로서, 장치가 소형이고 외란에 강하고, 작동시키기 매우 용이하다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 예시에 한정되는 것이 아니고, 다양한 변형이 본 발명의 범위에서 배척됨이 없이 본 발명의 취지에 따라 만들어질 수 있다.
산업상 이용가능성
본 발명에 따라 차동식 표면 플라즈몬 공명 측정 장치 및 방법은 환경오염 저분자 유기화합물을 측정하기 위한 팜사이즈지향 장치를 이용한 유비쿼터스 현장 측정에 적합하다.

Claims (11)

  1. (a) 입사광이 공명각을 포함하는 범위의 입사각으로 입사하는 입사광 광학 시스템;
    (b) 프리즘상에 증착된 박막상에 시료용액 고정부 및 참조용액 고정부를 포함하는 시료 세팅 디바이스로서, 상기 시료용액 고정부 및 상기 참조용액 고정부는 상기 입사광의 빔이 조사되는 영역에 위치하는 시료 세팅 디바이스;
    (c) 상기 시료용액 고정부 및 상기 참조용액 고정부로부터 반사되는 광을 각각의 빔들로 분할하고, 상기 빔들의 방향을 회전시켜 단일 라인상에 상기 빔들을 투영하기 위해 복수의 거울들을 포함하는 투영 광학 시스템; 및
    (d) 상기 빔들을 수신하는 CCD 를 상기 단일 라인상에 포함하는 선형 CCD 센서를 포함하는, 차동식 표면 플라즈몬 공명 측정 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 거울들은 상기 시료용액 고정부로부터의 반사광을 제 1 각도로 반사하기 위한 제 1 거울, 및 상기 참조용액 고정부로부터의 반사광을 제 2 각도로 반사하기 위한 제 2 거울을 포함하는, 차동식 표면 플라즈몬 공명 측정 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 프리즘상에 배치된 점착성 광학 인터페이스 필름을 더 포함하고,
    상기 점착성 광학 인터페이스 필름은 상기 프리즘의 굴절률과 매칭된 굴절률을 가지는, 차동식 표면 플라즈몬 공명 측정 장치.
  5. 프리즘 및 유리 기판을 포함하는 센서상에 선초점을 형성하기 위해 특정 파장을 가지는 광원으로부터 광을 방출하는 제 1 단계;
    상기 선초점 상에 소정의 간격으로 배치되는 시료셀 및 참조셀의 센싱부들에서 표면 플라즈몬 공명을 생성하여, 상기 센싱부들로부터 반사되는 광의 세기를 감소시키는 제 2 단계;
    반사광의 빔들을 상기 센싱부들의 중심들간의 소정의 간격과 동일한 간격을 유지하면서, 빔들에 따라 상이한 각도들을 가지는 광 분할 거울들로부터 반사되게 함으로써 상기 반사광을 2 개의 광학 경로로 분할하는 제 3 단계; 및
    상기 프리즘의 상단면에 점착되는 점착성 광학 인터페이스 필름상의 시료부 및 참조부에 대응하고, 상기 프리즘의 굴절률과 매칭된 굴절률을 가지는 센싱 필름들을 포함하는 전극타입 복합형 센서셀을 누르는 제 4 단계를 포함하는, 차동식 표면 플라즈몬 공명 측정 방법으로서,
    단일 CCD 라인 센서의 2 개의 영역에서 검출을 수행하는 광학 시스템이, 상기 센서와 상기 점착성 광학 인터페이스 필름과 상기 프리즘 사이의 광학 매칭이 유지된 채로, 상기 시료셀 및 상기 참조셀에서 생성된 표면 플라즈몬 공명을 측정하는, 차동식 표면 플라즈몬 공명 측정 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 점착성 광학 인터페이스 필름은 고분자 점착성 광학 인터페이스 필름인, 차동식 표면 플라즈몬 공명 측정 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 고분자 필름은 폴리염화비닐을 포함하는, 차동식 표면 플라즈몬 공명 측정 방법.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 시료셀은, 상기 프리즘 및 상기 유리 기판과 동일한 굴절률을 가지는 매칭 오일을 이용하지 않는 상기 점착성 광학 인터페이스 필름상에 배치되는, 차동식 표면 플라즈몬 공명 측정 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 시료셀의 센싱부는 측정 대상과 상호작용하는 기능성 물질을 포함하고,
    상기 측정 대상은 화학센서화 시스템에서 측정되고 상기 상호작용에 의해 변하는 굴절률을 갖는, 차동식 표면 플라즈몬 공명 측정 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 기능성 물질은 항체이고, 상기 항체는 상기 시료셀에 고정됨으로써, 항원-항체 반응이 면역센서화 시스템에서 측정되는, 차동식 표면 플라즈몬 공명 측정 방법.
  11. 제 5 항에 있어서,
    상기 전극타입 복합형 센서셀은 20 N 의 힘으로 눌려지는, 차동식 표면 플라즈몬 공명 측정 방법.
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