KR20150116999A - 다채널 여기 광원 스위칭용 마이크로 라만 및 형광 분광분석장치 - Google Patents

다채널 여기 광원 스위칭용 마이크로 라만 및 형광 분광분석장치 Download PDF

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KR20150116999A
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황성길
박종수
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Abstract

본 발명은 다채널 여기 광원 스위칭용 마이크로 라만 및 형광 분광분석장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 적어도 하나 이상의 여기 레이저 소스, 여기 레이저 소스에서 발산되는 여기 광원이 반사되는 제1반사경과, 제1반사경을 통해 소정의 각도로 반사된 여기 광원이 반사되는 제1포물면 거울과, 제1포물면 거울에서 반사되는 여기 광원이 통과되는 제1핀홀과, 제1핀홀을 통과한 여기 광원이 굴절되는 빔스플리터와, 빔스플리터에 의해 굴절된 여기 광원이 반사되는 제2포물면 거울과, 제2포물면 거울에서 반사되는 여기 광원이 반사되는 제2반사경과, 제2반사경에 의해 반사된 여기 광원이 입사되어 시료에 조사되는 대물렌즈와, 대물렌즈를 통해 채집된 라만 산란광 또는 형광이 제2포물면 거울에 반사되고, 빔스플리터를 투과하여 출광되는 라만 산란광 또는 형광이 통과하는 제2핀홀과, 제2핀홀을 통과하여 공간적으로 잡음이 제거된 산란광이 반사되는 제3포물면 거울과, 제3포물면 거울에 의해 평행광 형태로 반사되어 여기 광원의 파장의 제거와 함께 라만 산란광 또는 형광 신호들만이 통과하는 필터와, 필터를 통과한 라만 산란광 또는 형광이 선택적으로 반사되는 제3반사경 및 제3반사경에 의해 선택적으로 반사되는 라만 산란광 또는 형광이 반사되는 제4 및 제5포물면 거울을 포함하는 다채널 여기 광원 스위칭용 마이크로 라만 및 형광 분광분석장치에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 여기 광원들과 라만 산란광 또는 형광신호들을 초점을 맺게 하고, 평행 광을 만들기 위해 비 구면 거울들로 구성함으로써 색수차를 제거하여 넓은 영역에 걸쳐 있는 파장의 여기 광원들을 교차하여 사용할 수 있는 효과가 있다.
또한, 실시간으로 파장이 보정된 스펙트럼을 얻을 수 있도록 하기 위해, 기준 선스펙트럼을 가진 램프 광원과 분광기에 라만 분광분석 챔버로부터 얻어진 라만 광신호 또는 형광 신호들을 함께 공간적으로 분리 입사함으로써, 측정과 동시에 이 선스펙트럼들을 기준으로 이차원 검출기의 파장 축이 보정된 라만 산란광 또는 형광의 스펙트럼을 얻을 수 있는 효과가 있다.

Description

다채널 여기 광원 스위칭용 마이크로 라만 및 형광 분광분석장치{Micro Raman and photo-luminescence spectral analysis apparatus for multi-channel excitation laser source switching}
본 발명은 미세 라만 분광학(micro raman spectroscopy)을 위한 거울 (mirror)들로 이루어진 라만(Raman) 광신호 또는 형광(photo-luminescence)신호를 얻는 분광학(spectroscopy) 장치(chamber)에 관한 것으로, 특히 라만 광 신호들 또는 형광신호들을 얻기 위해 여기 광원들(excitation light sources)과 출력 광신호들을 초점에 맺히게(focusing) 하거나, 평행(collimating) 광을 만들 때, 비 구면 거울들을 사용하여 색수차(color aberration)를 제거함으로써 넓은 영역, 즉 자외선(ultraviolet wavelength)부터 근 적외선(infrared wavelength)까지의 파장영역 내에서 여러 개의 광원을 번갈아가며 교환 사용함으로써 출력 광신호의 성능의 저하를 최소화할 수 있는 다채널 여기 광원 스위칭용 마이크로 라만 및 형광 분광분석장치에 관한 것이다.
일반적으로 라만 광신호는 여기 광원을 시료에 조사하였을 때, 그 광원의 일부가 조사된 빛의 진행 방향에서 이탈해 다른 방향으로 진행해 가며 에너지를 잃거나 얻으면서 산란 된 광 신호들이다.
그러므로 이들 라만 광신호들은 파장적으로 여기 광원의 좌우 근처에 신호가 나타난다. 상기 광신호들은 형광 신호에 비교하여 매우 약한 신호들이다.
그래서 어떤 시료가 형광 신호가 있고, 그 형광신호가 나타날 수 있는 근처의 여기 광원을 사용한다면, 일반적으로 라만 광신호가 형광신호에 묻혀 얻기가 쉽지 않다.
이 경우 여기 광원을 되도록 그 형광 신호 영역을 피해 사용한다. 그러므로 라만 분광학 장치에서는 일반적으로 시료에 따라 선택할 수 있도록 파장적으로 복수의 여기 광원들을 부착하여 교환(switching)하여 사용한다.
한편, 현재 많은 미세 라만 분광학(micro raman spectroscopy) 장치들에서는 라만 광신호의 신호대 잡음 비(signal to noise ratio)를 좋게 하기 위해 시료의 초평면(focal plane) 밖의 이초점(out of focal) 빛들을 제거해 주는 공초점 현미경(confocal microscopy)의 원리를 사용한다.
도 1은 종래의 일반적인 미세 라만 분광학 장치를 나타낸 예시도 이다. 도 1을 참조하면, 종래 공초점 현미경의 원리를 사용하는 미세 라만 분광학 장치는 렌즈 계를 사용한다.
특히, 여기 레이저 광원을 핀 홀 구경(pinhole aperture)에 초점을 맺게 하기 위해 렌즈를 사용하고, 상기 핀 홀로부터 퍼져나간 빛을 평행 광으로 대물렌즈 (objective lens)에 넣기 위해 평행(collimating)렌즈를 사용한다.
한편, 대물렌즈를 역으로 통과한 라만 광은 상기 평형렌즈로 인하여 다른 핀 홀에서 걸러져 시료의 초점 공면(focal plane) 위에 초점 주변의 국소부분으로부터 반사된 빛과 라만 신호가 포함된 산란된 빛이 통과하게 된다.
이 경우, 넓은 영역에 걸쳐 있는 즉, 자외선부터 근 적외선까지 퍼져 있는 파장의 여기 광원들 교차하여 사용한다면, 상기 렌즈들의 색수차(color aberration)로 인하여 임의의 기준 파장 광원에서 상기 렌즈들을 최적화(optimization) 했다면 다른 파장의 광원을 사용하는 경우, 라만 광신호의 분해능(resolution)과 신호대 잡음 비(signal to noise ratio)에 있어서 성능의 저하가 일어난다.
이렇게 최적화한 임의의 파장에서 현저히 멀리 떨어져 있는 여기 광원을 사용한다면, 색수차를 보정한 렌즈(achromatic lens)로도 한계가 있다.
일반적으로 라만 분광기 분석기에는 라만 스펙트럼(spectrum) 얻기 위해 분광기(spectrograph)가 장착되어 있다. 상기 분광기는 파장 위치가 어느 정도 범위 내에서의 재연성이 있다.
이는 곧 다른 스펙트럼 구간을 측정한다면, 그때마다 보정(calibration) 된 파장의 위치가 그 재연성 값의 범위 내에서 흔들리고 있다는 뜻이다.
그러므로 현재의 많은 라만 분광시스템에서는 다른 스펙트럼 범위에서 라만 스펙트럼을 얻기 전에 분광기에 대해서 파장 보정을 하고 있다.
그러나, 그러한 사전 보정에도 여전히 재연성 값의 범위 내에서 흔들린 스펙트럼이 얻어지는 문제가 있다.
그래서 많은 분야에서 측정과 동시에 이러한 파장 보정이 자동으로 수행된 스펙트럼을 얻을 수 있는 라만 시스템을 요구되어 진다.
대한민국 공개특허공보 제10-2008-0031829호(2008년 04월 11일 공개) 대한민국 공개특허공보 제10-2011-0015666호(2011년 02월 16일 공개) 대한민국 공개특허공보 제10-2012-0135438호(2012년 12월 13일 공개)
상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명의 과제는, 여기 광원들을 시료에 조사하고, 라만 산란 광신호 또는 형광 신호들을 채집하는 과정에서 광신호들을 초점에 맺히게 하고 평행하게 만들기 위해 비 구면 거울들로 구성함으로써 색수차를 제거하여 넓은 영역에 걸쳐 있는 파장의 여기 광원들을 교차하여 사용할 수 있는 다채널 여기 광원 스위칭용 마이크로 라만 및 형광 분광분석장치를 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 부수적인 과제는, 실시간으로 파장이 보정된 스펙트럼을 얻을 수 있도록 하기 위해, 분광기에 기준 선스펙트럼을 가진 램프(reference line peak spectrum lamp) 광원과 분광기에 라만 및 형광 분광분석 챔버로부터 얻어진 라만 또는 형광신호를 함께 공간적으로 분리 입사함으로써, 측정과 동시에 이 선스펙트럼들을 기준으로 이차원 검출기(CCD)의 파장 축이 보정된 라만 또는 형광 스펙트럼을 얻을 수 있는 다채널 여기 광원 스위칭용 마이크로 라만 및 형광 분광분석장치를 제공하는 데 있다.
상기 과제를 달성하기 위해 안출된 본 발명은, 적어도 하나 이상의 여기 레이저 소스, 상기 여기 레이저 소스에서 발산되는 여기 광원이 반사되는 제1반사경, 상기 제1반사경을 통해 소정의 각도로 반사된 여기 광원이 반사되는 제1포물면 거울, 상기 제1포물면 거울에서 반사되는 여기 광원이 통과되는 제1핀홀, 상기 제1핀홀을 통과한 여기 광원이 굴절되는 빔스플리터, 상기 빔스플리터에 의해 굴절된 여기 광원이 반사되는 제2포물면 거울, 상기 제2포물면 거울에서 반사되는 여기 광원이 반사되는 제2반사경, 상기 제2반사경에 의해 반사된 여기 광원이 입사되어 시료에 조사되는 대물렌즈, 상기 대물렌즈를 통해 채집된 산란광 또는 형광이 상기 제2포물면 거울에 반사되고, 상기 빔스플리터를 투과하여 출광되는 상기 산란광 또는 형광이 통과하는 제2핀홀, 상기 제2핀홀을 통과하여 공간적으로 잡음이 제거된 산란광 또는 형광이 반사되는 제3포물면 거울, 상기 제3포물면 거울에 의해 평행광 형태로 반사되어 빛으로부터 라만 산란광 또는 형광만이 통과하는 필터, 상기 필터를 통과한 라만 산란광 또는 형광이 선택적으로 반사되는 제3반사경 및 상기 제3반사경에 의해 선택적으로 반사되는 라만 산란광 또는 형광이 반사되는 제4 및 제5포물면 거울을 포함한다.
또한, 본 발명은 적어도 하나 이상의 여기 레이저 소스, 상기 여기 레이저 소스에서 발산되는 여기 광원이 반사되는 제1반사경, 상기 제1반사경을 통해 소정의 각도로 반사된 여기 광원이 반사되는 제1포물면 거울, 상기 제1포물면 거울에서 반사되는 여기 광원이 통과되는 제1핀홀, 상기 제1핀홀을 통과한 여기 광원이 반사되는 색 선별 거울, 상기 색 선별 거울에 의해 굴절된 여기 광원이 반사되는 제2포물면 거울, 상기 제2포물면 거울에서 반사되는 여기 광원이 반사되는 제2반사경, 상기 제2반사경에 의해 반사된 여기 광원이 입사되어 시료에 조사되는 대물렌즈, 상기 대물렌즈를 통해 시료에 조사되어 채집된 산란광 또는 형광이 상기 제2포물면 거울에 반사되고, 상기 색 선별 거울을 투과하여 출광되는 상기 산란광 또는 형광이 통과하는 제2핀홀, 상기 제2핀홀을 통과하여 공간적으로 잡음이 제거된 산란광 또는 형광이 반사되는 제3포물면 거울, 상기 제3포물면 거울에 의해 평행광 형태로 반사되어 여기 광원의 파장이 제거와 함께 라만 산란광 또는 형광 신호들만이 통과하는 필터, 상기 필터를 통과한 라만 산란광 또는 형광만이 선택적으로 반사되는 제3반사경 및 상기 제3반사경에 의해 선택적으로 반사되는 라만 산란광 또는 형광 신호들이 반사되는 제4 및 제5포물면 거울을 포함한다.
상기 대물렌즈는 반사형 대물렌즈(reflective objective lens)인 것을 특징으로 한다.
상기 필터는 적어도 하나 이상인 것을 특징으로 한다.
상기 필터는 롱 패스 에지 필터(long pass edge filter) 및 노치 필터(notch filter) 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 여기 광원들과 라만 산란광 신호 또는 형광신호들을 초점을 맺게 하고, 평행 광을 만들기 위해 비 구면 거울들로 구성함으로써 색수차를 제거하여 넓은 영역에 걸쳐 있는 파장의 여기 광원들을 교차하여 사용할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 실시간으로 파장이 보정된 스펙트럼을 얻을 수 있도록 하기 위해, 기준 선스펙트럼을 가진 램프 광원과 분광기에 라만 및 형광 분광분석 챔버로부터 얻어진 출력 라만 광신호 또는 형광 신호들을 함께 공간적으로 분리 입사함으로써, 측정과 동시에 이 선스펙트럼들을 기준으로 이차원 검출기의 파장 축이 보정된 라만 또는 형광 스펙트럼을 얻을 수 있는 효과가 있다.
본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어서 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 종래의 일반적인 미세 라만 분광학 장치를 나타낸 예시도,
도 2 내지 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 다채널 여기 광원 스위칭용 마이크로 라만 및 형광 분광분석장치를 나타낸 예시도 이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 다채널 여기 광원 스위칭용 마이크로 라만 및 형광 분광분석장치의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 다채널 여기 광원 스위칭용 마이크로 라만 및 형광 분광분석장치를 나타낸 예시도 이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다채널 여기 광원 스위칭용 마이크로 라만 및 형광 분광분석장치는 여기 레이저 소스(10), 제1반사경(20), 제1포물면 거울(30), 제1핀홀(40), 빔스플리터(50), 제2포물면 거울(60), 제2반사경(70), 대물렌즈(80), 제2핀홀(90), 제3포물면 거울(100), 필터(110), 제3반사경(120), 제4포물면 거울(130) 및 제5포물면 거울(140)을 포함하는 구성요소로 이루어지며, 이를 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 도 3은 여기 광원을 시료에 조사 및 시료로부터 반사되는 라만 산란광 또는 형광의 채집 구조를 설명하기 위한 도면이다.
상기 여기 레이저 소스(10)는 각기 다른 파장을 가지며, 복수 구비된다.
상기 제1반사경(20)은 상기 여기 레이저 소스(10)에서 선택적으로 발산되는 여기 광원을 선택적으로 반사시킨다.
그리고, 상기 제1반사경(20)에 의해 소정 각도로 반사된 여기 광원을 명암 측면도(intensity profile)에서 무작위 변동(random fluctuations)을 제거하고, 공간 필터링(spatial filtering)을 위해 제1포물면 거울(30)과 제1핀홀(40)이 구비된다.
상기 빔스플리터(50) 또는 색 선별 거울(50')은 여기 광원을 반사시킴과 동시에 시료부터 산란 또는 형광 되어 대물렌즈(80)를 통과한 산란광 또는 형광이 통과된다.
이때, 일반적인 투과형 대물렌즈 대신 반사형 대물렌즈를 사용하면, 전체 반사 거울을 사용하는 마이크로 라만 및 형광 시스템이 구현될 수 있다.
그리고, 도 2는 여기 광원을 시료의 임의의 위치에 가져다 놓기 위한 구조를 설명하기 위한 도면으로써, 제2포물면 거울(60)에 의해 평행 광이 생성되면, 시료의 이미지 관찰, 여기 광원의 초점의 상태 및 시료 위에 여기 광원의 초점을 맞춤과 동시에 적당한 위치에 그 초점을 위치시키기 위한 한 쌍의 빔스플리터와 CCD 카메라가 구비된다.
그리고, 상기 제2핀홀(90)은 켤레(conjugate) 라만 산란광 또는 형광의 공초점 위치에 이초점 빛들을 제거해 준다.
상기 제3포물면 거울(100)은 산란광 또는 형광을 평행 광으로 생성시키고, 여기 광원을 제거하기 위해 적어도 하나 이상의 롱 패스 에지 필터 및 노치 필터 중 어느 하나가 구비된다.
한편, 제3반사경(120)은 라만 산란광 또는 형광을 분광기에 입력시키기 위해 광섬유(optical fiber) 타입 또는 자유공간(free space) 타입이 선택된다.
즉, 광섬유 타입을 이용하는 경우, 광섬유에 라만 또는 형광 신호를 입사시키기 위한 매칭(matching)이 고려된 제4포물면 거울(130)이 이용된다.
그리고, 자유공간 타입을 이용하는 경우에는 분광기의 매칭을 고려한 제5포물면 거울(140)이 이용된다.
이상에서는 본 발명을 바람직한 실시예에 의거하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되지 아니하고 청구항에 기재된 범위 내에서 변형이나 변경 실시가 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백한 것이며, 그러한 변형이나 변경은 첨부된 특허청구범위에 속한다 할 것이다.
10: 여기 레이저 소스
20: 제1반사경
30: 제1포물면 거울
40: 제1핀홀
50: 빔스플리터
50': 색 선별 거울
60: 제2포물면 거울
70: 제2반사경
80: 대물렌즈
90: 제2핀홀
100: 제3포물면 거울
110: 필터
120: 제3반사경
130: 제4포물면 거울
140: 제5포물면 거울

Claims (5)

  1. 적어도 하나 이상의 여기 레이저 소스(10);
    상기 여기 레이저 소스(10)에서 발산되는 여기 광원이 반사되는 제1반사경(20);
    상기 제1반사경(20)을 통해 소정의 각도로 반사된 여기 광원이 반사되는 제1포물면 거울(30);
    상기 제1포물면 거울(30)에서 반사되는 여기 광원이 통과되는 제1핀홀(40);
    상기 제1핀홀(40)을 통과한 여기 광원이 굴절되는 빔스플리터(50);
    상기 빔스플리터(50)에 의해 굴절된 여기 광원이 반사되는 제2포물면 거울(60);
    상기 제2포물면 거울(60)에서 반사되는 여기 광원이 반사되는 제2반사경(70);
    상기 제2반사경(70)에 의해 반사된 여기 광원이 입사되어 시료에 조사되는 대물렌즈(80);
    상기 대물렌즈(80)를 통해 채집된 라만 산란광 또는 형광이 상기 제2포물면 거울(60)에 반사되고, 상기 빔스플리터(50)를 투과하여 출광되는 상기 라만 산란광 또는 형광이 통과하는 제2핀홀(90);
    상기 제2핀홀(90)을 통과하여 공간적으로 잡음이 제거된 라만 산란광 또는 형광이 반사되는 제3포물면 거울(100);
    상기 제3포물면 거울(100)에 의해 평행광 형태로 반사되어 여기 광원의 파장의 제거와 함께 라만 산란광 또는 형광 신호들만이 통과하는 필터(110);
    상기 필터(110)를 통과한 라만 산란광 또는 형광만이 선택적으로 반사되는 제3반사경(120); 및
    상기 제3반사경(120)에 의해 선택적으로 반사되는 라만 산란광 또는 형광이 반사되는 제4 및 제5포물면 거울(130, 140)을 포함하는 다채널 여기 광원 스위칭용 마이크로 라만 및 형광 분광분석장치.
  2. 적어도 하나 이상의 여기 레이저 소스(10);
    상기 여기 레이저 소스(10)에서 발산되는 여기 광원이 반사되는 제1반사경(20);
    상기 제1반사경(20)을 통해 소정의 각도로 반사된 여기 광원이 반사되는 제1포물면 거울(30);
    상기 제1포물면 거울(30)에서 반사되는 여기 광원이 통과되는 제1핀홀(40);
    상기 제1핀홀(40)을 통과한 여기 광원이 반사되는 색 선별 거울(50');
    상기 색 선별 거울(50')에 의해 굴절된 여기 광원이 반사되는 제2포물면 거울(60);
    상기 제2포물면 거울(60)에서 반사되는 여기 광원이 반사되는 제2반사경(70);
    상기 제2반사경(70)에 의해 반사된 여기 광원이 입사되어 시료에 조사되는 대물렌즈(80);
    상기 대물렌즈(80)를 통해 시료에 조사되어 채집된 라만 산란광 또는 형광이 상기 제2포물면 거울(60)에 반사되고, 상기 색 선별 거울(50')을 투과하여 출광되는 상기 라만 산란광 또는 형광이 통과하는 제2핀홀(90);
    상기 제2핀홀(90)을 통과하여 공간적으로 잡음이 제거된 라만 산란광 또는 형광이 반사되는 제3포물면 거울(100);
    상기 제3포물면 거울(100)에 의해 평행광 형태로 반사되어 여기 광원의 파장의 제거와 함께 라만 산란광 또는 형광 신호들만이 통과하는 필터(110);
    상기 필터(110)를 통과한 라만 산란광 또는 형광만이 선택적으로 반사되는 제3반사경(120); 및
    상기 제3반사경(120)에 의해 선택적으로 반사되는 라만 산란광 또는 형광이 반사되는 제4 및 제5포물면 거울(130, 140)을 포함하는 다채널 여기 광원 스위칭용 마이크로 라만 및 형광 분광분석장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 대물렌즈(80)는 반사형 대물렌즈인 것을 특징으로 하는 다채널 여기 광원 스위칭용 마이크로 라만 및 형광 분광분석장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 필터(110)는 적어도 하나 이상인 것을 특징으로 하는 다채널 여기 광원 스위칭용 마이크로 라만 및 형광 분광분석장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 필터(110)는 롱 패스 에지 필터 및 노치 필터 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 다채널 여기 광원 스위칭용 마이크로 라만 및 형광 분광분석장치.
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