KR101029473B1 - 초점타원계측 표면 플라즈몬 공명 측정장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초점타원계측 표면 플라즈몬 공명 측정장치에 관한 것으로, 다중입사면/다중입사각 측정법을 사용한 수직입사형 초점타원 계측기와 표면플라즈몬 공명을 일으키는 금속시료를 이용하여 표면 플라즈몬 공명각과 타원계측 위상변화를 동시에 검출하는 것을 특징으로 하며, 보다 상세하게는 편광자, 검광자를 이용한 초점타원계측기와 표면 플라즈몬 공명 센서부(혹은 고 개구수 대물렌즈, 굴절률 매칭물질, 금속박막이 증착된 유리기판)를 결합하여 실시간으로 표면 플라즈몬 공명(Surface Plasmon Resonance: SPR) 측정이 가능하도록 한 고감도 측정기술이다.

이를 위하여 본 발명의 초점타원계측 표면 플라즈몬 공명 측정장치는 광원(10), 발생된 빛을 편광시키는 편광자(20), 편광된 빛을 분할하는 광분할기(30), 분할된 일부의 편광을 금속박막(42)에 집속시키는 대물렌즈(41.43), 상기 금속박막(42)으로부터 반사된 빛을 편광시키며 편광된 빛을 검출하는 검광수단(50), 편광된 빛의 진폭과 위상을 검출하여 각도변화에 의한 표면 플라즈몬 공명과 타원계측 위상변화를 동시에 검출하는 광검출기(60), 검출된 표면 플라즈몬 공명과 타원계측 위상변화를 연산처리하는 연산처리장치(70)를 포함하는 수직입사형 초점타원 계측기(미도시됨); 초점타원계측기의 대물렌즈(43)와 결합하여 편광된 빛의 각도변화에 의한 표면 플라즈몬 공명을 일으키는 금속박막(42)을 포함하는 표면 플라즈몬 공명 센서부(40); 표면플라즈몬을 일으키는 금속박막에 흡착 혹은 탈착을 일으키는 바이오 물질을 포함한 완충(Buffer)용액을 보급하는 유로장치(1); 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이에 따라, 본 발명은 광의 진폭과 위상을 동시에 측정하여 표면 플라즈몬 공명 측정각과 타원계측 위상변화를 동시에 측정함으로써 바이오 물질의 접합특성 및 접합 동특성을 실시간으로 측정할 수 있으며, 위상변화가 민감한 최적의 표면 플라즈몬 공명(Surface Plasmon Resonance: SPR) 조건에서 측정할 수 있어 기존의 반사율만을 이용한 표면 플라즈몬 공명 측정보다 고감도 측정이 가능하게 된다.

수직입사형, 초점타원계측, 다중입사각, 다중입사면, 표면 플라즈몬 공명 측정장치, SPR, 고 개구수 대물렌즈, 굴절률 매칭 물질, 초점 타원계측기

Description

초점타원계측 표면 플라즈몬 공명 측정장치{Surface plasmon resonance sensor using beam profile ellipsometry}

본 발명은 초점타원계측 표면 플라즈몬 공명 측정장치에 관한 것으로, 다중입사면/다중입사각 측정법을 사용한 수직입사형 초점타원 계측기와 표면플라즈몬 공명을 일으키는 금속박막을 이용하여 표면 플라즈몬 공명각과 타원계측 위상변화를 동시에 검출하는 것을 특징으로 하며, 보다 상세하게는 편광자, 검광자를 이용한 타원계측기와 표면 플라즈몬 공명 센서부(혹은 고 개구수 대물렌즈, 굴절률 매칭물질, 금속박막이 증착된 유리기판)를 결합하여 실시간으로 표면 플라즈몬 공명(Surface Plasmon Resonance: SPR) 측정이 가능하도록 한 고감도 측정기술이다.

타원계측기(ellipsometer)는 시편의 표면에 특정 편광상태를 지니고 입사한 빛이 반사된 후에 가지게 되는 편광상태의 변화를 측정하고 그 측정값을 분석함으로써 시편의 광학적 물성을 찾아내는 측정장치이다. 특히, 반도체 산업체에서는 다양한 나노 박막 제조공정들이 사용되고 있는데 제조된 나노 박막들에 대한 물성을 평가하기 위해서 비파괴적이며 비접촉식인 실시간 측정기술인 타원계측기를 공정용 계측장비로 널리 사용하고 있다. 이러한 타원계측기는 시료면에서 반사된 광의 진폭및 위상과 관련된 각도변화에 대한 정보를 얻게 되는 것이 일반적이다.

종래의 타원계측기는 반도체 시료에 적용하기에는 충분하지만, 단백질과 같은 바이오물질에 대해서는 측정이 불가하므로 표면 플라즈몬 공명측정장치를 이용하여 바이오물질의 특성을 측정하는 것이 바람직하다.

금속 표면에 존재하는 전자들은 그 표면에 대하여 종 방향으로(normal) 진동하여 집단적인 요동(collective vibration) 운동을 하는데, 이를 표면 플라즈몬 파동(surface plasmon wave)이라 한다. 양자화 된(quantized) 전자의 요동이 곧 표면 플라즈몬(surface plasmon)이다. 표면 플라즈몬이 광파(light waves)에 의해서 여기되는 현상을 이용하여 물질을 정량적으로 분석하기 위해서 다양한 표면 플라즈몬 센서들이 제시되어 왔다.

표면 플라즈몬의 공명 현상은 빛의 편광 특성에 민감한 점을 이용하여 편광기(polarizer)에 응용되거나 또는 바이오센서(bio sensor), 즉, 광화학센서(opto-chemical sensor)에 주로 응용되고 있다.

이러한 표면 플라즈몬의 공명 흡수 효과를 이용하는 센서, 즉, 표면 플라즈몬 센서는 금속 표면에 접하는 유전체의 농도, 두께 또는 굴절률의 변화를 측정하는 데 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 측정하고자 하는 생체 물질과 같은 시료의 농도 변화를 실시간으로(real-time), 표식자 없이(non-labeling) 측정할 수 있는 생체 센서로도 활용될 것으로 알려지고 있다.

종래의 표면 플라즈몬 공명 센서(SPR sensor)의 일례를 도 1에 도시하였다.

도시된 바와 같이, 광원(110)과, 광원(110)으로부터 발생된 빛을 편광시키는 편광자(120)와, 편광된 빛이 입사되어 반사되는 프리즘(130)과, 프리즘(130)의 일면에 구비되어 프리즘(130)을 통과한 편광이 입사되는 유리기판(140)과, 유리기판(140) 상에 수십 나노미터 두께로 코팅되어 유리기판(140)을 통과한 편광이 표면 플라즈몬 공명을 일으켜 반사되도록 하는 금속박막(150)과, 금속박막에 의해 반사되어 유리기판 및 프리즘을 통과한 빛을 검출하는 수광부(160)으로 구성된다. 금속박막(150)에는 시료(170)가 접하게 되는데 금속 박막(150)과 시료(170) 사이에서, 시료(170)의 농도, 두께 혹은 일반적으로 굴절률이 변화하면, 이에 따라 표면 플라즈몬 공명 조건이 변화하게 된다. 이에 따라, 수광부(160)로 반사되는 반사광의 광량이 달라지게 되는데, 이를 이용하여 금속박막(150) 표면과 접하는 시료(170)의 농도 변화를 측정하게 된다.

종래의 반사율만을 이용한 표면 플라즈몬 공명장치는 최소반사율을 나타내는 각도의 변화를 측정하거나 반사광의 세기를 측정하지만 타원계측 표면 플라즈몬 공명 측정방법을 이용하면 반사율 정보에 해당하는 광의 진폭뿐만 아니라 위상정보를 같이 얻을 수 있다. 특히 최적의 표면플라즈몬 공명조건에서는 타원계측 위상변화가 민감하여 고감도의 측정 정밀도를 얻을 수 있다.

특히, 신약후보 물질 등 각종 저분자 물질이 타겟 단백질에 접합할 때 최고 감도의 측정정밀도가 요구되는데, 최적의 표면플라즈몬 공명조건에서 타원계측 위상변화를 측정함으로써 측정 정밀도를 향상시킬 수 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 최적의 표면 플라즈몬 공명조건에서 민감한 위상 변화를 이용하여 고감도의 측정정밀도를 갖는 초점타원계측 표면 플라즈몬 공명 측정장치를 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 의한 초점타원계측 표면 플라즈몬 공명 측정장치는 광원(10), 발생된 빛을 편광시키는 편광자(20), 편광된 빛을 분할하는 광분할기(30), 분할된 일부의 편광을 금속박막(42)에 집속시키는 대물렌즈(41,43), 상기 금속박막(42)으로부터 반사된 빛을 편광시키며 편광된 빛을 검출하는 검광수단(50), 편광된 빛의 진폭과 위상을 검출하여 각도변화와 파장변화에 의한 표면 플라즈몬 공명과 타원계측 위상변화를 동시에 검출하는 광검출기(60), 검출된 표면 플라즈몬 공명과 타원계측 위상변화를 연산처리하는 연산처리장치(70)를 포함하는 수직입사형 초점타원 계측기(미도시됨); 상기 초점타원계측기의 대물렌즈(43)와 결합하여 편광된 빛의 각도변화에 의한 표면 플라즈몬 공명을 일으키는 금속박막을 포함하는 표면 플라즈몬 공명 센서부(40); 표면플라즈몬을 일으키는 금속박막에 흡착 혹은 탈착을 일으키는 바이오 물질을 포함한 완충(Buffer)용액을 보급하는 유로장치(1); 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

수직입사형 초점타원계측기(미도시됨)는, 편광자, 광분할기, 검광자 또는 단일 편광자 광분할기로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 표면 플라즈몬 공명 센서부(40)는, 상기 광분할기(30)로부터 분할된 일부의 편광을 집속시키며 수렴렌즈(converging lens)로 된 제 1 렌즈(41)와, 상기 제 1 렌즈(41)와 함께 고 개구수의 대물렌즈를 구성하기 위해 하부에 금속박막(42)이 증착된 제 2 렌즈(43)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. 또, 제 2 렌즈(43)에 금속박막(42)을 증착하지 않고 상기 제 2 렌즈(43) 하부에 구비되며 하부에 금속박막(42)이 증착된 유리기판(미도시됨)과, 상기 제 2 렌즈(43)와 상기 유리기판 사이에 게재되어 상기 제 2 렌즈(42)의 굴절률과 상기 유리기판의 굴절률을 서로 매칭시키는 굴절률 매칭물질(미도시됨)을 포함하여 이루어질 수 있다.

또, 상기 수렴렌즈는 양볼록(biconvex), 평면-볼록(planoconvex), 미니스커스(miniscus) 형태 중 하나의 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 표면 플라즈몬 공명 센서부(40)는, 상기 광분할기(30)로부터 분할된 일부의 편광을 집속시키며, 여러 개의 렌즈로 이루어진 일체형 고 개구수의 대물렌즈나 SIL렌즈(Solid Immersion Lens)로 된 제 3 렌즈(44)와, 상기 제 3 렌즈(44) 하부에 구비되며 하부에 금속박막(42)이 증착된 유리기판(45)과, 상기 제 3 렌즈(44)와 상기 유리기판(45) 사이에 게재되어 상기 제 3 렌즈(44)의 굴절률과 상기 유리기판(45)의 굴절률을 서로 매칭시키는 굴절률 매칭물질(46)을 포함하여 이루어질 수 있다.

또한, 상기 검광수단(50)는, 상기 금속박막(42)으로부터 반사되어 상기 표면 플라즈몬 공명 센서부(40) 및 상기 광분할기(30)를 통과한 빛을 편광시키는 제 2 편광자(51)와, 상기 제 2 편광자(51)에 의해 편광된 빛을 통과시키는 슬릿(52)과, 상기 슬릿(52)을 통과한 편광을 검출하는 분광기(53)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

아울러, 빛의 진행방향에 대하여 수직방향으로 상기 편광자(20) 혹은 제 2 편광자(51)를 회전시키거나 편광변조시키는 수단이 더 구비되어, 상기 제 2 편광자(51)에 의해 편광된 빛이 각각의 입사각들에 대해서 독립적으로 상기 분광기(53)에 의해 파장특성이 검출되도록 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 광분할기(30)와 상기 표면 플라즈몬 공명 센서부(40) 사이 또는 상기 광분할기(30)와 상기 광검출기(60) 사이에 위치하여 상기 광분할기(30)로부터 분할된 빛을 보상하기 위한 보상기(80)가 더 구비된 것을 특징으로 한다.

또, 빛의 진행방향에 대하여 수직방향으로 상기 보상기(80)를 회전시키는 회전수단이 더 구비되어, 상기 보상기(80)를 통해 보상된 빛이 각각의 입사각들에 대해서 독립적으로 상기 검광수단(50)에 의해 검출되도록 하는 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 광원(10)과 상기 편광자(20) 사이에 설치되어 상기 광원(10)으로부터 발생된 빛을 평행광으로 만들어 상기 편광자(20)로 전달하는 시준기(90)가 더 구비된 것을 특징으로 한다.

이에 따라, 본 발명은 광의 진폭과 위상을 동시에 측정하여 각도변화와 파장변화에 의한 표면 플라즈몬 공명 측정과 타원계측 위상변화를 동시에 측정함으로써 바이오 물질의 접합특성 및 접합 동특성을 실시간으로 측정할 수 있으며, 위상변화 가 민감한 최적의 표면 플라즈몬 공명(Surface Plasmon Resonance: SPR) 조건에서 측정할 수 있어 기존의 반사율만을 이용한 표면 플라즈몬 공명 측정보다 고감도 측정이 가능하게 된다.

본 발명은 초점타원계측 표면 플라즈몬 공명 측정장치(Surface plasmon resonance sensor using beam profile ellipsometry)에 관한 것으로 보다 상세하게는 편광자, 검광자를 이용한 타원계측기와 표면 플라즈몬 공명 센서부(혹은 고 개구수 대물렌즈, 굴절률 매칭물질, 금속박막이 증착된 유리기판)를 결합하여 실시간으로 SPR 측정이 가능하도록 한 고감도 측정기술이다. 타원계측법은 시료면에서 반사된 광의 진폭과 위상을 동시에 측정할 수 있고 특히 위상변화가 민감한 최적의 SPR 조건에서 측정하면 기존의 반사율만을 이용한 SPR 측정방법보다 고감도 측정이 가능하다. 기존 초점타원계측기(Focused beam ellipsometer)는 반도체 시료에 적용하기 위한 타원계측기이며 본 발명의 SPR 측정과는 무관하다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 의한 초점타원계측 표면 플라즈몬 공명 측정장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 의한 초점타원계측 표면 플라즈몬 공명 측정장치의 구조를 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명에 의한 다른 형태의 초점타원계측 표면 플라즈몬 공명 측정장치의 구조를 나타낸 도면이며, 도 4는 본 발명에 의한 또 다른 형태의 초점타원계측 표면 플라즈몬 공명 측정장치의 구조를 나타낸 도면이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 초점타원계측 표면 플라즈몬 공명 측정장치는 광원(10), 발생된 빛을 편광시키는 편광자(20), 편광된 빛을 분할하는 광분할기(30), 분할된 일부의 편광을 금속박막(42)에 집속시키는 대물렌즈(41,43), 상기 금속박막(42)으로부터 반사된 빛을 편광시키며 편광된 빛을 검출하는 검광수단(50), 편광된 빛의 진폭과 위상을 검출하여 각도변화와 파장변화에 의한 표면 플라즈몬 공명과 타원계측 위상변화를 동시에 검출하는 광검출기(60), 검출된 표면 플라즈몬 공명과 타원계측 위상변화를 연산처리하는 연산처리장치(70)를 포함하는 수직입사형 초점타원 계측기(미도시됨); 상기 초점타원계측기의 대물렌즈(43)와 결합하여 편광된 빛의 각도변화에 의한 표면 플라즈몬 공명을 일으키는 금속박막을 포함하는 표면 플라즈몬 공명 센서부(40); 표면플라즈몬을 일으키는 금속박막에 흡착 혹은 탈착을 일으키는 바이오 물질을 포함한 완충(Buffer)용액을 보급하는 유로장치(1); 를 포함하여 이루어진다.

수직입사형 초점타원계측기(미도시됨)는, 도 2, 도 3에서와 같이 편광자, 광분할기, 검광자을 사용하거나, 편광자, 광분할기, 검광자 대신 단일 편광자 광분할기를 사용하거나 광분할기와 편광자를 사용하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 광원(10)은 단파장 혹은 자외선, 가시광선이나 적외선 영역의 파장대역을 방출하는 광원이 사용될 수 있다. 또한, 상기 광원(10)은 금속 박막 두께의 편차에 의한 SPR 최적 감도 조건에 맞는 파장에서 측정할 수 있도록 파장가변 레이저, 다이오드 등의 파장가변 광원을 사용할 수 있다.

상기 편광자(20)는 상기 광원(10)으로부터 발생된 빛을 편광시키는 역할을 한다.

상기 광분할기(30)는 상기 편광자(20)로부터 편광된 빛을 분할하며, 분할된 일부의 빛을 상기 표면 플라즈몬 공명 센서부(40)로 전달한다.

상기 표면 플라즈몬 공명 센서부(40)의 대물렌즈(41,43)는 상기 광분할기(30)로부터 분할된 일부의 편광을 금속박막(42)에 집속시킨다. 이때, 금속박막(42) 하부의 바이오 물질을 포함한 완충(Buffer)용액을 보급하는 유로장치(1)는 바이오 박막(1a)과 바이오 박막의 하부에 충진된 완충(Buffer)용액(1b)로 구성된다.

상기 표면 플라즈몬 공명 센서부(40)의 일례로는 두 종류의 렌즈를 사용하여 구성되며, 상기 광분할기(30)로부터 분할된 일부의 편광을 집속시키며 수렴렌즈(converging lens)로 된 제 1 렌즈(41)와, 제 1 렌즈(41)와 함께 고 개구수의 대물렌즈를 구성하기 위해 하부에 금속박막(42)이 증착된 제 2 렌즈(43)를 포함하여 이루어진다.

상기 수렴렌즈(converging lens)는 양볼록(biconvex), 평면-볼록(planoconvex), 미니스커스(miniscus) 형태 중 하나의 구조를 갖는다.

상기 제 1 렌즈(41)에 의해 상기 광분할기(30)로부터 분할된 일부의 편광을 집속시키면 상기 제 2 렌즈(43)에 의해 상기 제 1 렌즈(41)에 의해 집속된 편광을 금속박막(42)에 집속시키게 된다. 이때, 제 2 렌즈(43)는 제 1 렌즈(41)와 함께 고 개구수의 대물렌즈를 구성하기 위해 구면 혹은 비구면 형상의 한 개의 렌즈 혹은 여러 개의 렌즈로 구성된 렌즈 군으로 되며 렌즈의 최대 입사각을 크게 하는 역할 을 한다. 제 2 렌즈(43)의 하부 평면에는 금속박막(42)이 증착되거나 제 2 렌즈(43)에 금속박막(42)을 증착하지 않고 상기 제 2 렌즈(42) 하부에 구비되며 하부에 금속박막(42)이 증착된 유리기판(미도시됨)과, 상기 제 2 렌즈(42)와 상기 유리기판 사이에 게재되어 상기 제 2 렌즈(42)의 굴절률과 상기 유리기판의 굴절률을 서로 매칭시키는 굴절률 매칭물질(미도시됨)을 포함하여 이루어질 수 있다. 금속박막(42)은 금(Au), 은(Ag) 등의 금속재질로 되며, 표면플라즈몬 공명을 일으키는 역할을 한다.

상기 표면 플라즈몬 공명 센서부(40)의 다른 예(도3)로는 일체화된 렌즈와 유리기판 및 굴절률 매칭물질을 사용하여 구성되며, 상기 광분할기(30)로부터 분할된 일부의 편광을 집속시키며 여러 개의 렌즈로 이루어진 일체형 고 개구수의 대물렌즈나 SIL렌즈(Solid Immersion Lens)로 된 제 3 렌즈(44)와, 상기 제 3 렌즈(44) 하부에 구비되며 하부에 금속박막(42)이 증착된 유리기판(45)과, 상기 제 3 렌즈(44)와 상기 유리기판(45) 사이에 게재되어 상기 제 3 렌즈(44)의 굴절률과 상기 유리기판(45)의 굴절률을 서로 매칭시키는 굴절률 매칭물질(46)을 포함하여 이루어진다. 이때, 굴절률 매칭물질(46)은 굴절률 매칭 오일 등을 사용하며 금속박막이 증착된 유리기판은 쉽게 교환할 수 있는 구조로 되는 것이 바람직하다. 굴절률 매칭물질(46)을 사용하지 않을 경우 공기중에서 전반사를 일으키기 때문에 SPR 측정이 불가능하다.

상기 제 3 렌즈(44)에 의해 상기 광분할기(30)로부터 분할된 일부의 편광을 집속시키면 상기 굴절률 매칭물질(46)에 의해 하부에 위치한 유리기판(45)으로 입사되며, 입사된 편광은 유리기판(45) 하부에 증착되며 바이오 물질을 포함한 완충(Buffer)용액을 보급하는 유로장치(1)와 접하는 금속박막(42)에 집속되게 된다. 바이오 박막(1a)의 농도, 두께 혹은 일반적으로 굴절률이 변화하면, 표면 플라즈몬 공명 조건이 변화되면서 빛이 반사되게 되며, 유리기판(45)으로 출사되고 출사된 빛은 굴절률 매칭물질(46)에 의해 제 3 렌즈(44)로 출사된다. 제 3 렌즈(44)로 출사된 빛은 광분할기(30)를 거쳐 검광수단(50)로 검출되게 된다.

본 발명에서 사용되는 렌즈는 고 개구수 대물렌즈, SIL 렌즈 등을 사용한다.

이때, 렌즈로 입사된 빛은 최대입사각 (

)으로 렌즈 개구수(NA)와 매질의 굴절률(n)에 의해 결정된다.

상기 검광수단(50)는 상기 금속박막(42)으로부터 반사되어 상기 표면 플라즈몬 공명 센서부(40) 및 상기 광분할기(30)를 통과한 빛을 편광시키며 편광된 빛을 검출한다.

상기 검광수단(50)는 상기 금속박막(42)으로부터 반사되어 상기 표면 플라즈몬 공명 센서부(40) 및 상기 광분할기(30)를 통과한 빛을 편광시키는 제 2 편광자(51)와, 상기 제 2 편광자(51)에 의해 편광된 빛을 통과시키는 슬릿(52)과, 상기 슬릿(52)을 통과한 편광을 검출하는 분광기(53)를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 광검출기(60)는 상기 검광수단(50)에 의해 검출된 편광된 빛의 진폭과 위상을 검출하여 각도변화와 파장변화에 의한 표면 플라즈몬 공명과 타원계측 위상변화를 동시에 검출한다.

상기 연산처리장치(70)는 상기 광검출기(60)에 의해 검출된 표면 플라즈몬 공명과 타원계측 위상변화를 연산처리한다.

도 2, 도 3 장치구조의 연산처리방법은 다중입사면/다중입사각 측정법을 사용하며 이를 설명하면 다음과 같다.

신호 세기의 중심에서 반지름이 일정한 거리에 있는 경로를 따라 광검출기(60)의 단위소자(CCD의 경우 단위픽셀)에 해당되는 신호를 읽어 연산 처리하여 타원계측 상수를 구한다.(참조: 특허출원번호: 10-2007-0115398)

신호의 세기는

이며

,

의 계수를 이용하여 타원계측상수

를 연산을 통하여 구한다.

타원계측상수 중 진폭과 관련된

는 SPR 측정의 각도 변화 계산에 사용될 수 있으며 최적의 공명조건에서 최소값을 나타내며 이 각도의 이동량은 SPR 공명각도 이동량에 해당하고

값의 변화도 공명각도 환산에 사용될 수 있다. 정밀 SPR 측정을 위해서는 위상변화를 나타내는

를 이용할 수 있으며 최적의 공명조건에서 위상값의 변화가 가장 크다(도 6, 7 참조). 따라서 최적이 공명조건에서 위상값의 변화를 측정하면 정밀측정이 요구되는 각종 바이오 물질의 흡착동특성(예: 신약후보 물질로 사용되는 저분자 물질의 흡착 특성 등)에 사용될 수 있으며 진폭과 위상을 동시에 이용하여 공명각도 환산 및 정량화에 활용될 수 있다.

도 4 장치구조의 연산처리 방법은 각각의 단위소자(CCD의 경우 단위픽셀)에서 PSA(Polarizer-Sample-Analyzer) 혹은 PSCA(Polarizer-Sample-Compensator- Analyzer)형태의 구조를 가진 타원계측법(Ellipsometry) 일반 원리로부터 타원계측상수

를 연산을 통하여 구한다.

타원계측 방정식에서 복소반사계수비

는 p-파와 s-파에 대한 반사계수(

의 비이며 아래와 같이 표시할 수 있다.

아울러, 상기 광원(10)과 상기 편광자(20) 사이에 설치되어 상기 광원(10)으로부터 발생된 빛을 평행광으로 만들어 상기 편광자(20)로 전달하는 시준기(90)가 더 구비된 것이 바람직하다.

또한, 상기 광분할기(30)와 상기 표면 플라즈몬 공명 센서부(40) 사이 또는 상기 광분할기(30)와 상기 광검출기(60) 사이에 위치하여 상기 광분할기(30)로부터 분할된 빛을 보상하기 위한 보상기(80)가 더 구비되는 것이 바람직하다.

도 2와 도 3은 회전수단이나 편광변조 수단, 분광장치가 구비되지 않고 고 개구수 렌즈를 이용하여 다중입사면/다중입사각 측정법을 사용한 실시간 측정이 가능한 초점타원계측 표면 플라즈몬 공명 측정장치의 구조를 나타낸 도면이다.

도 3에서는 일체화된 고 개구수 렌즈와 굴절률 매칭물질 및 금속박막이 입혀진 유리기판을 사용하는 초점타원계측 표면 플라즈몬 공명 측정장치의 구조를 나타낸 도면이다.

또한, 도 4에서는 상기 제 2 편광자(51)가 빛의 진행방향에 대하여 수직방향으로 회전시키는 회전수단 혹은 편광변조(미도시됨) 수단과 슬릿에 의해 상기 제 2 편광자(51)에 의해 편광된 빛이 각각의 입사각들에 대해서 독립적으로 상기 분광기(53)에 의해 파장특성이 검출되도록 할 수 있으며, 상기 보상기(80)를 상기 제 2 편광자(51)와 마찬가지 형태로 빛의 진행방향에 대하여 수직방향으로 회전시키는 회전수단(미도시됨)이 더 구비되어, 상기 보상기(80)를 통해 보상된 빛이 각각의 입사각들에 대해서 독립적으로 상기 검광수단(50)에 의해 검출되도록 할 수도 있다.

SPR 최적조건은 유리위에 증착되는 금속박막의 두께에 따라 파장과 각도가 쉽게 달라지므로 편광자 혹은 보상기가 회전하는 타원계측구조를 사용할 경우 금속박막의 제작시 발생할 수 있는 두께나 물성의 오차에 따른 감도의 저하 없이 항상 최적의 SPR 조건에서 측정이 가능하다.

또한, 편광자 혹은 보상기가 회전하는 타원계측구조를 사용하여 파장과 각도를 동시에 측정 가능하는 방법은 공정조건에 따라 바뀔 수 있는 최적의 SPR 조건에서 실시간으로 측정할 수 있는 장점이 있다. 타원계측에 의한 위상측정은 최적의 SPR 조건에서 가장 민감한 변화를 나타내지만 SPR 센서의 핵심인 금속박막의 굴절률과 두께가 제작공정에 따라 쉽게 바뀔 수 있기 때문에 이 방법을 사용하면 측정각도와 파장범위에서 항상 최적의 공명조건을 쉽게 찾을 수 있어 타원계측법과 SPR의 장점을 동시에 활용할 수 있게 된다.

미설명부호 100은 간섭필터이다.

(실시예)

1. SPR이 일어날 수 있는 각도와 파장 측정

파장을 700에서 1000 nm 로 하고, 유리기판(45)의 재질을 BK7으로 하며, 금속박막을 Au로 하고 두께를 47 nm로 하며, 완충(Buffer)용액의 굴절률을 1.333로 하여 SPR이 일어날 수 있는 각도와 파장을 측정하였으며, 측정결과를 도 5에 도시하였다.

도시된 바와 같이, 렌즈와 유리기판의 굴절률이 커지면 더 작은 각도와 더 짧은 파장영역에서도 SPR이 일어날 수 있게 된다.

2. 각도에 따른 반사율 및 타원계측 상수 변화 측정

파장을 850 nm로 하고, 유리기판(45)의 재질을 SF10으로 하며, 금속박막을 Au로 하고 두께를 45 nm로 하며, 바이오 박막 두께를 0 nm와 1 nm(n=1.45)로 하고, 완충(Buffer)용액의 굴절률을 1.333로 하여 각도에 따른 반사율 및 타원계측 상수의 변화를 측정하였으며, 측정결과를 도 6과 도 7에 도시하였다.

도 6에서와 같이 진폭과 관련된 타원계측상수 Ψ는 SPR 각도 변화와 같은 정보를 주지만, 도 7에서와 같이 위상 변화 Δ는 최적의 SPR 조건에서 민감하게 변하게 된다. 이 민감한 변화를 이용하면 바이오 물질의 표면접합특성을 실시간으로 고감도 측정이 가능하다. 특히 신약후보 물질로 사용되는 저분자 물질등이 타겟 단백질에 접합할 때 최고 감도의 측정정밀도를 요구하며 이 경우 기존의 반사율 측정보다 위상측정이 더 좋은 특성을 나타낼 수 있다.

3. 파장에 따른 SPR 공명각도 변화 측정

파장을 750에서 1000 nm로 하고, 렌즈의 재질을 SF10으로 하며, 금속박막을 Au로 하고 두께를 44 nm로 하며, 완충(Buffer)용액의 굴절률을 1.333로 하여 파장에 따른 SPR 공명각도 변화를 측정하였으며, 측정결과를 도 8과 도 9에 도시하였다.

도 8은 파장에 따라 SPR 공명각도가 변화되는 것을 알 수 있고, 도 9는 각도와 파장에 따라 위상변화의 기울기가 달라지며 위상변화의 기울기가 최대인 각도와 파장을 선택할 수 있음을 알 수 있다.

도 1은 종래의 표면 플라즈몬 공명 측정장치를 나타낸 도면.

도 2는 본 발명에 의한 초점타원계측 표면 플라즈몬 공명 측정장치의 구조를 나타낸 도면.

도 3은 본 발명에 의한 다른 형태의 초점타원계측 표면 플라즈몬 공명 측정장치의 구조를 나타낸 도면.

도 4는 본 발명에 의한 또 다른 형태의 초점타원계측 표면 플라즈몬 공명 측정장치의 구조를 나타낸 도면.

도 5는 BK7 렌즈를 이용한 경우 파장에 따른 SPR조건을 나타낸 그래프.

도 6은 SF10 유리 위에 45 nm 두께로 금박막이 입혀진 경우 850 nm 파장에서 각도에 따른 반사율의 변화를 나타낸 그래프.

도 7은 SF10 유리 위에 45 nm 두께로 금박막이 입혀진 경우 850 nm 파장에서 각도에 따른 타원계측 상수의 변화를 나타낸 그래프.

도 8은 파장에 따른 SPR 공명각도의 변화를 나타낸 그래프.

도 9는 파장과 각도에 따른 위상변화의 기울기를 나타낸 그래프.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

1: 유로장치 1a: 바이오 박막

1b: 완충(Buffer)용액 10: 광원

20: 편광자 30: 광분할기

40: 표면 플라즈몬 공명 센서부

41: 제 1 렌즈

42: 금속박막 43: 제 2 렌즈

44: 제 3 렌즈 45: 유리기판

46: 굴절률 매칭물질 50: 검광수단

51: 제 2 편광자 52: 슬릿

53: 분광기 60: 광검출기

70: 연산처리장치 80: 보상기

90: 시준기

Claims (14)

1. 빛을 편광시켜 일부의 편광을 대물렌즈부로 금속박막(42)에 집속시켜 반사된 편광을 검출하는 다중입사면/다중입사각 측정법을 사용한 수직입사형 초점타원 계측기;

   상기 초점타원계측기의 대물렌즈부에 구비되어 편광된 빛의 각도변화에 의한 표면 플라즈몬 공명을 일으키도록, 일부의 편광을 집속시키며 수렴렌즈(converging lens)로 된 제 1 렌즈(41)와, 상기 제 1 렌즈(41)와 함께 고 개구수 현미경 대물렌즈 역할을 하며, 구면 혹은 비구면 형상의 한 개의 렌즈 혹은 여러 개의 렌즈로 구성된 렌즈 군으로 되고, 하부에 금속박막(42)이 증착된 제 2 렌즈(43)를 포함하여 이루어지는 표면 플라즈몬 공명 센서부(40);

   표면플라즈몬을 일으키는 금속박막에 흡착 혹은 탈착을 일으키는 바이오 물질을 포함한 완충(Buffer)용액을 보급하는 유로장치(1);

   를 포함하여 이루어지며, 각도변화와 파장변화에 의한 표면 플라즈몬 공명과 타원계측 위상변화를 동시에 검출하는 것을 특징으로 하는 초점타원계측 표면 플라즈몬 공명 측정장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 수직입사형 초점타원계측기는,

   광원(10), 상기 광원(10)으로부터 발생된 빛을 편광시키는 편광자(20), 상기 편광자(20)로부터 편광된 빛을 분할하는 광분할기(30), 상기 광분할기(30)로부터 분할된 일부의 편광을 상기 금속박막(42)에 집속시키는 대물렌즈부, 상기 금속박막(42)으로부터 반사되어 상기 광분할기(30)를 통과한 빛을 편광시키며 편광된 빛을 검출하는 검광수단(50), 상기 검광수단(50)에 의해 검출된 편광된 빛의 진폭과 위상을 검출하는 광검출기(60), 상기 광검출기(60)에 의해 검출된 타원계측 위상변 화를 연산처리하는 연산처리장치(70)를 포함하는 것을 특징으로 하는 초점타원계측 표면 플라즈몬 공명 측정장치.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 광원(10)은 단파장 혹은 자외선, 가시광선, 적외선 영역의 파장대역을 방출하는 광원, 파장가변 레이저 또는 다이오드의 파장가변 광원으로부터 선택되는 어느 하나로 된 것을 특징으로 하는 초점타원계측 표면 플라즈몬 공명 측정장치.
4. 제 2 항에 있어서

   상기 검광수단(50)은 검광자, 단일 편광자 광분할기, 광분할기와 편광자로부터 선택되는 어느 하나를 사용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 초점타원계측 표면 플라즈몬 공명 측정장치.
5. 삭제
6. 제 1 항에 있어서, 상기 표면 플라즈몬 공명 센서부(40)는,

   일부의 편광을 집속시키며, 여러 개의 렌즈로 이루어진 일체형 고 개구수의 대물렌즈나 SIL렌즈(Solid Immersion Lens)로 된 제 3 렌즈(44)와,

   상기 제 3 렌즈(44) 하부에 구비되며 하부에 금속박막(42)이 증착된 유리기판(45)과,

   상기 제 3 렌즈(44)와 상기 유리기판(45) 사이에 게재되어 상기 제 3 렌즈(44)의 굴절률과 상기 유리기판(45)의 굴절률을 서로 매칭시키는 굴절률 매칭물질(46)을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 초점타원계측 표면 플라즈몬 공명 측정장치.
7. 제 2 항에 있어서, 상기 검광수단(50)은,

   상기 금속박막(42)으로부터 반사되어 상기 표면 플라즈몬 공명 센서부(40) 및 상기 광분할기(30)를 통과한 빛을 편광시키는 제 2 편광자(51)와,

   상기 편광자(51)에 의해 편광된 빛을 통과시키는 슬릿(52)과,

   상기 슬릿(52)을 통과한 편광을 검출하는 분광기(53)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 초점타원계측 표면 플라즈몬 공명 측정장치.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 편광자(20) 혹은 제 2 편광자(51)를 회전시키거나 편광변조시키는 수단이 더 구비된 것을 특징으로 하는 초점타원계측 표면 플라즈몬 공명 측정장치.
9. 제 7 항에 있어서,

   빛의 진행방향에 대하여 수직방향으로 상기 제 2 편광자(51)를 회전시키는 회전수단이 더 구비되어, 상기 제 2 편광자(51)에 의해 편광된 빛이 각각의 입사각들에 대해서 독립적으로 상기 분광기(53)에 의해 파장특성이 검출되도록 하는 것을 특징으로 하는 초점타원계측 표면 플라즈몬 공명 측정장치.
10. 제 2 항에 있어서,

    상기 광분할기(30)와 상기 표면 플라즈몬 공명 센서부(40) 사이 또는 상기 광분할기(30)와 상기 광검출기(60) 사이에 위치하여 상기 광분할기(30)로부터 분할된 빛을 보상하기 위한 보상기(80)가 더 구비된 것을 특징으로 하는 초점타원계측 표면 플라즈몬 공명 측정장치.
11. 제 10 항에 있어서,

    빛의 진행방향에 대하여 수직방향으로 상기 보상기(80)를 회전시키는 회전수단이 더 구비되어, 상기 보상기(80)를 통해 보상된 빛이 각각의 입사각들에 대해서 상기 검광수단(50)에 의해 검출되도록 하는 것을 특징으로 하는 초점타원계측 표면 플라즈몬 공명 측정장치.
12. 제 2 항에 있어서,

    상기 광원(10)과 상기 편광자(20) 사이에 설치되어 상기 광원(10)으로부터 발생된 빛을 평행광으로 만들어 상기 편광자(20)로 전달하는 시준기(90)가 더 구비된 것을 특징으로 하는 초점타원계측 표면 플라즈몬 공명 측정장치.
13. 제 1 항에 있어서, 상기 표면 플라즈몬 공명 센서부(40)는,

    일부의 편광을 집속시키며 수렴렌즈(converging lens)로 된 제 1 렌즈(41)와,

    상기 제 1 렌즈(41)와 함께 고 개구수 현미경 대물렌즈 역할을 하며, 구면 혹은 비구면 형상의 한 개의 렌즈 혹은 여러 개의 렌즈로 구성된 렌즈 군으로 된 제 2 렌즈(43)와,

    상기 제 2 렌즈(43) 하부에 구비되며 하부에 금속박막(42)이 증착된 유리기판(미도시됨)과,

    상기 제 2 렌즈(43)와 상기 유리기판 사이에 게재되어 상기 제 2 렌즈(43)의 굴절률과 상기 유리기판의 굴절률을 서로 매칭시키는 굴절률 매칭물질(미도시됨)을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 초점타원계측 표면 플라즈몬 공명 측정장치.
14. 제 1 항 또는 제 13 항에 있어서, 상기 수렴렌즈는 양볼록(bi-convex), 평면-볼록(plano-convex), 미니스커스(miniscus) 형태 중 하나의 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 초점타원계측 표면 플라즈몬 공명 측정장치.

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