KR100588987B1 - Machine of analyzing optically using surface plasmon resonance and method of analyzing the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 표면 플라즈몬 공명현상을 이용하여 생화학물질 및 생체물질의 상호작용을 계측하거나 얇은 박막의 광학상수인 두께와, 굴절률 그리고 용액의 굴절률을 측정하는 광학적 분석 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an optical analysis device for measuring the interaction of biochemicals and biomaterials using surface plasmon resonance, or measuring the thickness, refractive index and refractive index of a thin film.
SPR기기의 측정범위와 프리즘 구조사이의 상관관계에 있어서 각도분해형 SPR시스템의 동적측정범위와 감도는 SPR현상과 관련한 여러 가지 요소들 및 프리즘의 굴절률 그리고 프리즘의 형상에 영향을 받는다.The dynamic range and sensitivity of the angle resolution SPR system in the correlation between the measuring range of the SPR device and the prism structure are affected by various factors related to the SPR phenomenon, the refractive index of the prism and the shape of the prism.
삼각형프리즘은 반구형프리즘에 비해 동적측정범위가 고굴절률 용액에 대해서는 제한되지만 감도가 뛰어난 점을 가지고 있다. 이러한 삼각형 프리즘의 한계는 개선하면서 장점인 감도는 그대로 유지하기 위하여 프리즘의 밑각을 증가시키는 방법을 통해 프리즘의 굴절률을 증가시키지 않고도 동적측정범위를 높였으며 고유의 감도를 증가시켰다.Triangular prisms have superior sensitivity, although dynamic measurement range is limited for high refractive index solutions compared to hemispherical prisms. In order to improve the limitations of the triangular prism while maintaining the sensitivity, the method increases the base angle of the prism to increase the dynamic range and increase the inherent sensitivity without increasing the refractive index of the prism.
반구형 프리즘, 표면 플라즈몬 공명(SPR: Surface Plasmon Resonance), 입사 각도(Incident Angle), 금속 박막 (Metal Thin Film), 광원(Light Source), 굴절률(Refractive Index)Hemispherical Prism, Surface Plasmon Resonance (SPR), Incident Angle, Metal Thin Film, Light Source, Refractive Index
Description
도 1은 표면 플라즈몬을 일으키기 위한 Kretschmann 구조도1 is a structural diagram of Kretschmann for generating surface plasmon
도 2a는 금속박막이 증착되지 않은 프리즘에서의 입사각변화에 대한 전반사 그래프FIG. 2A is a total reflection graph of incident angle change in a prism on which a metal thin film is not deposited
도 2b는 금속박막이 증착된 프리즘에서의 표면플라즈몬공명 현상이 나타난 반사도 그래프Figure 2b is a reflection graph showing the surface plasmon resonance phenomenon in the metal prism deposited
도 3a는 점 광원형 입사각 분해형 표면 플라즈몬 공명 측정 장치의 구성도3A is a block diagram of a point light source type incident angle resolution type surface plasmon resonance measuring device
도 3b는 쐐기형 광 형태를 가진 파장 분해형 표면플라즈몬공명 측정 장치의 구성도3b is a block diagram of a wavelength-resolved surface plasmon resonance measuring device having a wedge shaped light
도 4는 n-Channel PDA 또는 CCD로 검출할 때의 모식도4 is a schematic diagram when detecting with an n-Channel PDA or CCD
도 5는 각 매질의 경계면에 따른 입사광의 각도에 대한 광의 경로도5 is a path diagram of light with respect to an angle of incident light along an interface of each medium;
도 6은 측정 각도와 실제 프리즘내부의 입사각과의 관계도6 is a relationship between the measurement angle and the incident angle inside the actual prism
도 7은 반구형 프리즘의 굴절률에 의한 감도와 동적측정범위의 효과 그래프7 is an effect graph of the sensitivity and dynamic measurement range by the refractive index of the hemispherical prism
도 8은 반구형 프리즘과 서로 다른 밑각을 가지는 다섯 종류의 프리즘에 대 한 기계적인 측정 각도와 실제 프리즘내부의 입사각과의 관계 그래프8 is a graph illustrating the relationship between the mechanical measurement angle and the incident angle inside the prism for the hemispherical prism and the five kinds of prisms having different base angles.
도 9는 서로 다른 밑각을 가지는 프리즘의 각도 변환의 결과값을 미분한 그래프9 is a graph obtained by differentiating a result of angle conversion of prisms having different base angles.
도 10은 도 8의 그래프에서 x축과 y축을 서로 바꾼 그래프FIG. 10 is a graph in which the x and y axes are interchanged in the graph of FIG. 8.
도 11은 반구형프리즘과 90˚프리즘에 대한 실제 굴절률에 대한 공명각의 변화의 관계를 나타낸 그래프11 is a graph showing the relationship of the change of the resonance angle to the actual refractive index for the hemispherical prism and 90 ˚ prism
도 12a는 반구형 프리즘에 있어서 서로 다른 굴절률을 가지는 액체시료에 대한 공명각의 변화를 나타낸 그래프12A is a graph showing the change of the resonance angle for liquid samples having different refractive indices in a hemispherical prism
도 12b는 90˚프리즘에 있어서 서로 다른 굴절률을 가지는 액체시료에 대한 공명각의 변화를 나타낸 그래프12b is a graph showing the change of the resonance angle for liquid samples having different refractive indices in a 90 ° prism
도 13a는 역사다리꼴 프리즘에서 입사광의 경로도13A is a path diagram of incident light in an inverted trapezoid prism;
도 13b는 평행사변형 프리즘에서 입사광의 경로도13B is a path diagram of incident light in a parallelogram prism;
도 14는 역사다리꼴 프리즘에 금속 박막을 증착하지 않은 프리즘에 대한 공기 중에서의 반사도 결과 그래프FIG. 14 is a graph of reflectivity results in air for a prism without a metal thin film deposited on an inverted trapezoid prism;
도 15는 평행사변형 프리즘에 금속 박막을 증착하지 않은 프리즘에 대한 공기 중에서의 반사도 결과 그래프FIG. 15 is a graph of reflectivity results in air for a prism without a metal thin film deposited on a parallelogram prism; FIG.
도 16은 금속박막이 증착된 역사다리꼴 프리즘과 평행사변형 프리즘에 대해서 굴절률이 1.33인 물의 SPR 곡선 그래프16 is an SPR curve graph of water having a refractive index of 1.33 for an inverted trapezoid prism and a parallelogram prism on which a metal thin film is deposited.
도 17a는 본 발명에 의한 프리즘을 이용한 주사형 (Scanning) 방식의 각도분해형 SPR 측정시스템의 광학계구성도17A is a schematic diagram of an optical system of an angular resolution SPR measuring system using a prism according to the present invention;
도 17b는 본 발명에 의한 프리즘을 이용한 쐐기형 방식의 각도분해형 SPR 측정시스템의 광학계구성도Figure 17b is an optical system configuration of the wedge-shaped angle resolution type SPR measurement system using a prism according to the present invention
도 18은 두 개 이상의 측정위치를 감지할 수 있도록 한 이차원 SPR 영상 측정시스템의 광학계구성도18 is an optical system diagram of a two-dimensional SPR image measuring system capable of detecting two or more measurement positions;
본 발명은 표면 플라즈몬 공명현상을 이용하여 생화학물질 및 생체물질의 상호작용을 계측하거나 얇은 박막의 광학상수인 두께와, 굴절률 그리고 용액의 굴절률을 측정하는 광학적 분석 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an optical analysis device for measuring the interaction of biochemicals and biomaterials using surface plasmon resonance, or measuring the thickness, refractive index and refractive index of a thin film.
도 1은 표면 플라즈몬을 일으키기 위한 크레취만(Kretschmann)구조를 나타낸 것이다. 표면 플라즈몬 공명의 원리는 금속박막표면에서 일어나는 전자들의 집단적인 진동(Charge Density Oscillation)을 양자화(Quantization)한 것으로써 금속과 이에 인접한 유전물질의 경계면을 따라 진행하는 표면전자기파로 알려져 있다. 표면 플라즈몬을 여기(Excitation)시키는 방법으로는 여러 가지가 알려져 있으나 광학적인 방법으로 표면 플라즈몬을 발생시키기 위해서는 도 1과 같이 전반사가 일어날 수 있도록 서로 다른 굴절률을 갖는 두개의 매질의 경계면에 금속박막(101)을 적층한 이른바 크레취만(E. Kretschmann, Z. Phys. 241,313,1971.)구조를 구성하면 된다. 도 1의 Kretschmann구조에 있어서 전반사에 의한 표면 플라즈몬 여기과정을 좀더 자세히 살펴보면 다음과 같다. 먼저 레이저와 같은 단색광(102)을 프리즘(103)과 같이 굴절률이 높은 매질 쪽에서 공기나 용액과 같이 굴절률이 낮은 매질 쪽으로 입사시키면 입사광의 일부는 프리즘의 바닥 면을 지나 투과하고 일부는 반사되어 광원의 반대편에 위치한 광검출기(104)에 도달한다. 하지만 프리즘 바닥 면의 법선을 기준으로 하는 입사광의 입사각이 특정한 임계각을 넘으면 더 이상 바닥 면으로 투과하는 광은 없어지고 모든 입사광은 반사(Total Reflection)하게 된다. 이러한 전반사과정에서 매질의 경계 면에서 굴절률이 낮은 매질 쪽으로 소산파(消散波,Evanescent wave)가 발생한다.1 shows a Kretschmann structure for generating surface plasmons. The principle of surface plasmon resonance is known as quantization of charge density oscillation of electrons occurring on the surface of metal thin film, and it is known as surface electromagnetic waves propagating along the interface between metal and adjacent dielectric material. Various methods are known to excite the surface plasmon, but in order to generate the surface plasmon by the optical method, as shown in FIG. 1, the metal
도 2a는 도 1에서 입사광이 금속박막(101)이 증착되지 않은 프리즘의 밑면에서 반사되는 반사도를 나타내며, 이때 프리즘 밑면으로 입사된 광의 전반사가 일어날 수 있는 임계각도(201)도 뚜렷이 나타난다. 도 2b는 금속 박막이 종착된 프리즘에서의 표면플라즈몬공명 현상이 나타난 반사도 그래프를 나타내며, 이때 금속박막의 증착으로 인해 공명각(202)가 나타난다. 도 2a의 입사각변화에 대한 전반사 그래프에서 소산파는 거의 파장 정도의 유효거리를 가지고 있으며 반사경계면의 광학적 조건에 따라 입사광의 에너지를 다른 매질 쪽으로 전달하는데 중요한 역할을 한다. 특히 이때 소산파의 광학적 조건(Wave-vector matching condition)이 다음 식 [1]과 같이 금속 박막에서 존재할 수 있는 표면 플라즈몬의 광학적조건과 일치하는 경우가 되면 입사광의 에너지는 얇은 금속 박막(101) 쪽으로 전달되면서 금속박막에 표면 플라즈몬을 일으킨다. 단, 이때 입사광의 편광은 표면플라즈몬의 진동모드가 표면에 대해 세로방향 형태(Longitudinal mode)이므로 반드시 p-편광(TM 편광) 되어야한다. 이와 같이 표면플라즈몬(Surface Plasmon)이 여기(Excitation)되는 현 상을 표면 플라즈몬 공명 (Surface Plasmon Resonance, SPR)이라고 하고 공명의 결과로 반사된 후의 광에너지는 도 2b에서와 같이 특정한 각도(202)에서 급격히 감소하게 된다.FIG. 2A illustrates the reflectivity of the incident light reflected from the bottom surface of the prism on which the metal
여기에서 np , nm , ns 는 각각 프리즘, 금속, 유전층의 굴절률이고 θ, λ는 입사광의 입사각, 파장을 나타낸다.(Jiri Homola, Sinclair S. Yee, Gnter Gauglitz, Sensors and Actuators B 54 3, 1999.)Where n p , n m , and n s are the refractive indices of the prism, metal, and dielectric layer, respectively, and θ and λ represent the incident angle and wavelength of incident light (Jiri Homola, Sinclair S. Yee, G). nter Gauglitz, Sensors and Actuators B 54 3, 1999.)
도 2b에서 표면 플라즈몬 공명이 일어나는 공명각(202), 즉 반사광이 최소가 되는 각도는 금속박막 아래층 유전체의 굴절률에 크게 영향을 받는다는 것을 위의 식 [1]을 참조하여 알 수 있다. 즉, 어떤 물리화학적 작용에 의해서 금속박막 아래층 유전체의 질량이 증가하거나 구조가 변형되면 결과적으로 유전체의 유효굴절률(Effective Refractive Index)이 변화하여 공명각이 달라질 수 있다는 것이다. 따라서 이러한 물질의 변화를 광학적인 방법으로 계측할 수 있는 SPR의 원리를 이용하면 금속박막아래층의 적절한 화학적 변형을 통해 다양한 생화학물질들 사이의 선택적 결합이나 분리와 같은 생화학적반응을 공명각의 변화로 감지할 수 있어서 SPR 센서는 고감도의 생화학센서로 활용할 수 있게 된다. 보고 된 논문(E. Stenberg, B. Persson, H. Roos, C. Urbaniczky, J. of Colloid and Interface Sci.,143,2,513,1991.)에 의하면 상용화된 SPR 센서의 경우, 유전층의 굴절률이 0.001 변할 때 공명각의 변화가 0.1˚변하게 되며 이는 단위 mm면적당 1 ng정도의 질량변화에 해당하는 것으로 알려져 있다.Referring to Equation [1], the
상기에서 논의한 SPR 센서가 가지는 여러 가지 특성들과 활용성은 생명공학 분야, 환경 분야, 신약개발, 식품산업 등 여러 분야에서 다양하게 검증되어 왔었다. 또한, SPR현상이 제공하는 우수한 물질감지 특성에 힘입어 이미 약 10여 년 전에 SPR센서는 바이오센서시스템의 형태로 상용화되기에까지 이르렀다. 특히 최근에는 바이오칩의 등장과 함께 더욱 많은 관심이 SPR 센서에 모여지고 있는데, 이는 기존의 형광법을 이용한 단백질, DNA, RNA의 기능 연구과정에서 필수적으로 사용되었던 표식자(Label)가 SPR을 이용한 계측방법에서는 전혀 사용될 필요가 없고, 더구나 표식자가 없어도 여러 생화학적 현상들을 고감도로 계측할 수 있기 때문이다.Various characteristics and usability of the SPR sensor discussed above have been verified in various fields such as biotechnology, environment, new drug development and food industry. In addition, about 10 years ago, the SPR sensor was commercialized in the form of a biosensor system, thanks to the excellent material sensing characteristics provided by the SPR phenomenon. In particular, with the advent of biochips, more attention has been gathered on the SPR sensor, which is a marker used in the process of studying the function of proteins, DNA, and RNA using the fluorescence method. It does not need to be used at all, and even without a marker, many biochemical phenomena can be measured with high sensitivity.
무엇보다 SPR이 이처럼 표식자와 같은 다른 보조 수단 없이도 원천적으로 고감도의 계측이 가능한 근본적인 이유는 표면으로부터 수백 nm이하의 범위 내에서 형성된 소산파(Evanescent Wave)의 Sampling Depth가 기존의 다른 광학적인 방법에 비해 월등하게 작다는 것에 있다. 즉, 표면에 고정화된 측정 물질과 소산파의 작용 영역이 다른 광학적인 방법에 비해 매우 협소하여 소산파를 이용하면 극미량의 시료만으로도 물질간의 상호작용을 쉽게 계측할 수 있다는 것이다. 이러한 소산파의 특성은 SPR을 응용하는 분야 외에도 광도파로(Optical Waveguide)를 이용하는 분야에서도 그 원천적인 특성이 다양하게 활용되고 있는 실정이다.First of all, the fundamental reason why SPR can measure inherently high sensitivity without other auxiliary means such as markers is that the Sampling Depth of the evanescent wave formed within the range of several hundred nm from the surface is compared with other conventional optical methods. It's about being extremely small. In other words, the measurement area immobilized on the surface and the area of dissipation are much narrower than other optical methods, and using dissipation makes it possible to easily measure the interaction between materials with only a small amount of sample. The characteristics of the dissipation wave are not only for the application of SPR, but also for the use of optical waveguides.
특히 이처럼 계면(Interface)이나 표면(Surface)계측에 우수한 장점을 가진 SPR방법은 최근 나노기술분야에서 더욱 광범위하게 응용될 것으로 기대되는데, 대표적으로 유기 초박막(Organic Thin Film) 응용분야에서 초박막의 형성과정이나 박 막 자체의 물성을 동시에 측정할 수 있는 방법으로서 그 활용가치가 한층 더 고조되고 있다.In particular, the SPR method, which has excellent advantages in interface and surface measurement, is expected to be widely applied in the nanotechnology field recently. Typically, the formation process of the ultra thin film in the field of organic thin film application As a method of measuring the physical properties of the thin film itself at the same time, the value of its use is increasing.
SPR현상을 계측하는 방식은 공명현상과 관련한 앞의 식 [1]을 바탕으로 분류할 때 크게 도 3a의 점 광원형 입사각 분해형 표면 플라즈몬 공명 측정 장치와 도 3b의 쐐기형 광 형태를 가진 파장 분해형 표면플라즈몬 공명 측정 장치로 나뉠 수 있다. 먼저 도 3a의 입사각 분해형은 도 1과 같은 광학적 구조에 대해서 도 2b와 같이 여러 입사각에 대해 반사도가 최소가 되는 공명각을 찾는 방식이다. 이는 식 [1]에서 알 수 있듯이 입사광의 각도가 측정시료의 굴절률의 함수로 주어지므로 이 방식은 측정시료의 변화를 공명각의 변화로 측정할 수 있는 것이다. 다음으로 파장 분해형은 각 매질이 갖는 굴절률의 파장의존성을 이용하여 주어진 입사각에 대해 광의 파장을 변화시키는 가운데 공명이 일어나는 파장을 찾는 방식이다. 두 가지 방법 모두 이미 상용화되어있으나 대부분의 측정방식은 입사각 분해형을 이용하고 있다. 특히 이중에서 입사각 분해형은 표면 플라즈몬 공명 현상을 계측하는 방법으로서는 전통적으로 가장 많이 사용된 방식이며 다시 세부적으로 나누면, 일정한 범위 내에서 입사광의 입사각을 바꾸어 가며 광다이오드로 측정하는 방식과 입사광을 쐐기모양으로 분해하고 다채널광센서(CCD나 Photodiode Array)를 이용하여 동시에 쐐기모양 범위내의 입사각에 대한 광신호를 한꺼번에 측정하며 공명점의 변화를 추적하는 방식으로 나눌 수 있다.The method for measuring the SPR phenomenon is classified based on the above equation [1] related to the resonance phenomenon, and the wavelength decomposition with the point light source type incident angle resolution type surface plasmon resonance measuring device of FIG. 3A and the wedge type light type of FIG. It can be divided into type surface plasmon resonance measuring device. First, the incident angle resolution type of FIG. 3A is a method of finding a resonance angle with minimum reflectivity for various incident angles as shown in FIG. 2B with respect to the optical structure of FIG. 1. As can be seen from Equation [1], since the angle of incident light is given as a function of the refractive index of the sample, this method can measure the change of the sample as the change of the resonance angle. Next, the wavelength resolution type finds a wavelength in which resonance occurs while changing the wavelength of light for a given angle of incidence by using the wavelength dependence of the refractive index of each medium. Both methods are already commercialized, but most measurement methods use incident angle resolution. In particular, the incident angle decomposition type is a method used to measure surface plasmon resonance, which is the most commonly used method. In detail, the incident angle decomposition method changes the incident angle of incident light within a certain range and measures the incident light with a wedge shape. By using the multi-channel optical sensor (CCD or Photodiode Array), the optical signal for incident angle within the wedge shape can be measured at once and divided into the method of tracking the change of resonance point.
물론 이외에도 전반사조건을 만들기 위해서, 프리즘대신 회절격자가 이용되기도 하고 좀더 소형 및 간편한 광학구조를 위해서 평판형 광도파로나 광파이버를 이용한 여러 가지 방법이도 개발되어있다. 하지만 현재 상용화된 SPR바이오센서의 경우는 대부분 실시간으로 생화학반응 모니터링이 가능하도록 다채널광센서와 쐐기모양의 광을 이용하여 측정하는 방법이 많이 활용되고 있는 실정이고 연구실수준의 센서시스템의 경우에서는 유기박막의 물성을 정량화하거나 원천적인 표면 플라즈몬 공명현상의 연구를 위해서 입사각을 변화시켜가며 광다이오드로 측정하는 방식이 많이 이용되고 있다.Of course, diffraction gratings are used instead of prisms to create total reflection conditions, and various methods using flat waveguides or optical fibers have been developed for smaller and easier optical structures. However, in the case of commercially available SPR biosensors, many methods using multi-channel optical sensors and wedge-shaped light are being used to monitor biochemical reactions in real time. In order to quantify the physical properties of the thin film or to study the original surface plasmon resonance phenomenon, a method of measuring the photodiode by changing the angle of incidence is widely used.
이처럼 가장 보편적으로 활용되고 있는 입사각분해형 방식의 SPR기기는 Kretschmann과 Otto가 광학적인 방법에 의한 SPR 여기를 처음으로 발표한 이래로 지난 수십 년간 다양한 구조와 응용범위를 가지며 변천해왔었다. 특히 SPR의 우수한 특성에 힘입어 SPR기기는 상업화까지 진행되면서 SPR기기의 본질적인 성능과 한계에 대해서도 많은 연구가 수행되어왔었다. 이러한 연구에 의하면 SPR기기의 성능은 보통 동적측정범위, 감도, 분해능 등에 의해 표현되어지는데 단위는 모두 액체시료의 굴절률을 바탕으로 표현되어 질 수 있다. 여기에서 기기의 동적측정범위는 측정 가능한 굴절률의 범위를 의미하며, 감도는 굴절률의 변화에 대한 계측 물리량(각도)의 미분값을 나타낸다. 그리고 기기의 분해능은 SPR측정기기가 계측하여 결정할 수 있는 최소 물리량, 즉 측정 가능한 최소 굴절률을 나타낸다. 그런데 여기에서 액체시료의 굴절률이 SPR의 성능평가의 기준시료가 되는 것은 SPR이 많이 활용되고 있는 바이오센서분야의 주요 시료가 일반적으로 액체상이기 때문이다. 즉 금속박막위에 형성된 감지막이 액체상에 용해된 계측시료인 단백질이 나 이온과 같은 생화학물질과 반응한 결과 나타나는 공명각의 변화의 기준점은 대부분 액체시료자체의 공명각 근처에서 일어나기 때문이다. 그러므로 액체시료의 굴절률은 SPR측정에 있어서 기기설계의 기준점이며 성능평가의 주요 시료가 된다.This most commonly used incident angle resolution type SPR device has evolved over the last decades with various structures and applications since Kretschmann and Otto first announced the SPR excitation by optical methods. In particular, due to the excellent characteristics of SPR, as the SPR equipment has been commercialized, many studies have been conducted on the intrinsic performance and limitations of the SPR equipment. According to these studies, the performance of an SPR device is usually expressed by dynamic measurement range, sensitivity, and resolution, and the unit can be expressed based on the refractive index of the liquid sample. Here, the dynamic measurement range of the instrument means the range of measurable refractive index, and the sensitivity is the derivative of the measured physical quantity (angle) with respect to the change of the refractive index. Indicates. The resolution of the device represents the minimum physical quantity that can be measured and determined by the SPR measuring device, that is, the minimum measurable refractive index. However, the refractive index of the liquid sample is the reference sample for the performance evaluation of the SPR because the main sample in the biosensor field in which SPR is widely used is generally liquid phase. In other words, the reference point of the change of the resonance angle resulting from the reaction of the sensing film formed on the metal thin film with a biochemical such as protein or ions, which is a measurement sample dissolved in the liquid phase, occurs mostly near the resonance angle of the liquid sample itself. Therefore, the refractive index of the liquid sample is the reference point of the instrument design in SPR measurement and is the main sample for performance evaluation.
이 세 가지 지표들은 SPR기기 개발과정에서 기기의 성능을 결정짓고 향상시키는 데 필요한 중요한 성능평가기준을 제공하는 성능지수들이다. 그런데, 이러한 세 가지 성능지표들은 기기의 구조적, 원리적 측면에서 살펴보면 서로 상관관계를 가지고 있어서 모든 성능지표들을 최상으로 유지하는 데는 많은 한계를 가지고 있다. 이중에서 SPR기기의 분해능과 동적 측정범위는 기기에서 사용되는 부품성능과 제작기술에 직접적으로 관계되며 분해능을 극대화시키기 위해서는 동적측정범위가 제한되는 문제가 발생한다. 이러한 문제는 다채널 광 검출장치를 이용한 방식에서 주로 나타난다.These three indicators are performance indices that provide important performance criteria for determining and improving the performance of an SPR device. However, these three performance indicators are correlated with each other in terms of structural and principle aspects of the device, and thus have many limitations in maintaining all the performance indicators at the best. Among these, the resolution and dynamic measurement range of SPR devices are directly related to the parts performance and manufacturing technology used in the device, and the dynamic measurement range is limited to maximize the resolution. This problem mainly occurs in a method using a multichannel photodetector.
도 4는 SPR 측정 장치의 구성에 있어서 검출기 부분을 n-Channel PDA 또는 CCD(401)를 사용하여 검출할 때의 모식도이다. 일정한 각도(403)의 쐐기형 광을 n-채널의 광 검출장치(401)를 통해 검출할 때 분해능은 채널수와 프리즘내의 SPR감지부와 검출장치의 거리인 L(402)에 의해 결정된다. 따라서 분해능을 높이기 위한 일차적인 조치는 채널수를 늘리는 것인데 이 방법은 현재의 광검출장치 제작기술의 한계 때문에 단위 면적당 채널 수는 제한된다. 다음으로 주어진 최적 채널 수에 대해 도4에서 쐐기형 광의 길이 L을 늘리거나 광학적인 방법으로서 렌즈시스템을 사용하여 L을 늘리는 효과를 사용하면 분해능을 증가시킬 수 있지만 이 방법 또한 기기의 구조적 측면이나 광학기기의 본질적 한계로 기술적 향상에는 한계가 있다. 물 론 이러한 방법들을 적절히 활용하여 성능이 최적화된 기기의 구조에 대한 연구는 이미 이전에 발표되어 상용화되었고 이외에도 여러 가지 신호처리기술들을 추가하여 많은 성능의 향상을 가져온 연구도 이미 발표되었다. 하지만 앞에서 제기했듯이 이러한 분해능의 향상을 위한 일련의 조치들은 본질적으로 동적 측정범위의 향상이라는 측면에서는 오히려 그 성능지수를 그대로 유지하거나 감소시키는 결과를 가져온다. 왜냐하면 쐐기형광의 경우 동적측정범위는 광의 퍼짐각도에 의해 결정되는데 동적측정범위를 크게 하기위해 각도를 넓힐 경우 광검출장치의 크기와 거리에 제한을 받기 때문에 동적측정범위의 성능과 분해능의 성능과는 타협해야하는 문제가 되기 때문이다.4 is a schematic view of detecting a detector portion using an n-Channel PDA or
또한 SPR기기의 감도는 SPR현상과 관련된 여러 가지 물리량에 크게 영향을 받는데, 사용되는 광의 파장이나 금속의 특성 즉, 금속박막의 종류, 굴절률, 사용되는 프리즘의 굴절률에 영향을 받는다. 더구나 프리즘의 굴절률은 기기의 감도 외에도 동적측정범위에도 영향을 미치는 것으로서 프리즘의 굴절률이 커질수록 일정하게 주어진 조건에서 동적측정범위는 증가한다. 하지만 감도는 다음 표와 같이 프리즘의 굴절률이 증가할수록 오히려 감소하는 문제가 발생한다. 더구나 SPR기기의 감도는 SPR기기의 분해능과도 밀접한 관련이 있는데 SPR기기의 감도에 대한 정의를 참고하면 굴절률의 범위 등과 같은 동일한 조건에서 감도가 커질수록 분해능 역시 좋아진다는 것을 쉽게 알 수 있다. 즉, 각도나 광강도와 같은 계측량의 분해능은 기기자체의 잡음이나 기기제작의 정확성의 문제와 같이 정밀도에 있어서 근원적인 한계가 주어지지만 적절한 방법을 통해 기기의 감도를 개선할 경우 측정하려고 하 는 물리량의 측정한계(Detection Limit)는 훨씬 낮아져 결과적으로 분해능은 향상되는 것이다.In addition, the sensitivity of the SPR device is greatly influenced by various physical quantities related to the SPR phenomenon, which is influenced by the wavelength of light used or the characteristics of the metal, that is, the type of metal thin film, the refractive index, and the refractive index of the prism used. Moreover, the refractive index of the prism affects the dynamic measurement range as well as the sensitivity of the device. As the refractive index of the prism increases, the dynamic measurement range increases under a given condition. However, the sensitivity decreases as the refractive index of the prism increases, as shown in the following table. In addition, the sensitivity of the SPR device is closely related to the resolution of the SPR device. Referring to the definition of the sensitivity of the SPR device, it is easy to see that the higher the sensitivity under the same conditions, such as the range of refractive index, the better the resolution. In other words, the resolution of measured values such as angle and light intensity is fundamentally limited in precision, such as the noise of the device itself or the problem of the accuracy of manufacturing the device, but it is necessary to measure when the sensitivity of the device is improved by appropriate methods. The measurement limit of the physical quantity is much lower, resulting in better resolution.
이러한 사실을 종합하면 SPR기기의 성능을 향상시키기 위한 기술적인 노력은 부품의 성능향상이나 구조의 최적화된 설계와 같이 근원적인 문제에 대한 접근도 중요하지만 제작기술 수준에 의한 본질적인 한계는 극복하기 어려운 문제이다. 따라서 원리적인 측면에서 기기의 성능을 보다 향상시킬 수 있는 방법을 찾아야하고 그 중요한 성능지표는 기기의 동적 측정범위와 감도로 요약할 수 있다. 하지만 종래의 기술적인 수준이나 방법으로서는 이 두 가지 성능지수를 동시에 만족시키기에는 앞에서 기술한 것처럼 많은 한계가 있다. 그래서 실제 상용화되거나 문헌에 보고 된 종래의 각도분해형 SPR 시스템은 대부분 두 가지 성능지표 가운데 어느 하나만을 중점적으로 향상시키는 방향으로 연구 개발되어 왔다. 예를 들면 상용화된 대부분의 SPR 시스템의 경우 그 측정용도를 buffer와 같이 굴절률이 낮은 용액에 대해 계측이 가능하도록 설계되어 동적측정범위는 굴절률이 1.33에서 1.40정도로서 상대적으로 많이 제한되지만 분해능은 굴절률단위로 약 10-6정도의 정밀도를 가지도록 설계되어있다. 또한, 다양한 유기 용매와 같이 굴절률이 높은 용액에 대해서는 고굴절률 프리즘을 사용하여 감도 측면에서는 성능이 떨어지더라도 동적측정범위는 향상하도록 하는 연구사례도 보고 된 바 있다.Taken together, technical efforts to improve the performance of SPR equipment are important to approach fundamental problems, such as improving the performance of parts and optimized design of structures, but inherent limitations due to the level of manufacturing technology are difficult to overcome. to be. Therefore, in principle, it is necessary to find a way to further improve the performance of the device, and the important performance indicators can be summarized by the dynamic range and sensitivity of the device. However, there are many limitations as described above in order to satisfy these two performance indices simultaneously in the conventional technical level or method. Therefore, the conventional angular resolution SPR system, which is commercially available or reported in the literature, has been mostly researched and developed in the direction of improving only one of two performance indicators. For example, most commercially available SPR systems are designed to measure the low-refractive index solution, such as buffer, so that the dynamic range is relatively large, with a refractive index of 1.33 to 1.40, but resolution is measured in units of refractive index. It is designed to have a precision of about 10 -6 . In addition, high refractive index prisms, such as various organic solvents, have been used to improve the dynamic measurement range even if performance is reduced in terms of sensitivity in terms of sensitivity.
[발명의 목적] [Purpose of invention]
본 발명에서는 각도 분해능 SPR기기의 성능 향상에 결정적으로 영향을 주는 동적측정범위와 감도가 종래의 기술적 수준이나 방법으로는 동시에 두 가지 성능을 향상시키는 것에는 많은 한계가 있다는 것에서 착안하였다. 따라서 본 발명의 목적은 상기의 한계를 극복할 수 있는 방안을 SPR의 원리적 측면에서 계측방법과 프리즘의 구조와의 상관관계를 재고함으로서 두 가지 성능지표를 동시에 향상시키는 것이다.In the present invention, it was conceived that there are many limitations in improving both performances at the same time with the conventional technical level or method in the dynamic measurement range and sensitivity which critically affect the performance improvement of the angular resolution SPR device. Accordingly, an object of the present invention is to improve the two performance indicators simultaneously by reconsidering the correlation between the measuring method and the structure of the prism in the principle aspect of SPR to overcome the above limitations.
SPR기기의 측정범위와 프리즘 구조사이의 상관관계에 있어서 각도분해형 SPR시스템의 동적측정범위와 감도는 SPR현상과 관련한 여러 가지 요소들에 의존하지만 일반적으로 프리즘의 굴절률에 가장 크게 영향을 받는다. 이는 원천적으로 SPR현상이 전반사와 관련한 소산파에 의해 발생되어지므로 액체시료의 굴절률이 반드시 프리즘의 굴절률보다는 작아야 전반사 조건을 유지할 수 있기 때문이다. 그런데 SPR기기에서 실제로 계측 가능한 액체시료의 굴절률은 전반사조건에 해당하는 프리즘의 굴절률보다는 훨씬 낮은 범위의 값을 가진다. 왜냐하면 첫째로 전반사와 관련된 임계각보다는 SPR과 관련된 공명각이 상대적으로 큰 값을 가지기 때문이며 다음으로 반구형프리즘의 경우를 제외하고는 공명이 일어나는 각도의 측정범위가 프리즘의 구조에 따라 제한되기 때문이다. 이는 SPR을 계측하는 과정에서 광의 입사각을 결정하는 광학적인 구조가 프리즘의 기하학적 구조에 의존하므로 기계적으로 결정되는 광의 입사각 θG (508)이 전반사와 관련된 프리즘 내에서의 입사각 θR (505)과 다르기 때문이다. 따라서 실제 측정 가능한 액체시료의 굴절률의 동적 측정범위가 프리즘의 굴절률이나 구조에 의해 어떤 영향을 받는지 살펴보려면 먼저 다음과 같은 과정을 통해 θG (508)와 θR (505) 사이의 관계를 먼저 엄밀하게 정량화해야만 한다.In the correlation between the measuring range of a SPR device and the prism structure, the dynamic measuring range and sensitivity of the angular resolution SPR system depend on various factors related to the SPR phenomenon, but are generally most affected by the refractive index of the prism. This is because the SPR phenomenon is generated by the dissipation wave related to the total reflection, so that the total reflection condition can be maintained when the refractive index of the liquid sample is smaller than the refractive index of the prism. However, the refractive index of the liquid sample that can be actually measured in the SPR device has a range of values much lower than that of the prism corresponding to the total reflection condition. This is because, firstly, the resonance angle associated with SPR has a relatively larger value than the critical angle associated with total reflection, and next, except for the hemispherical prism, the measurement range of the angle where resonance occurs is limited by the structure of the prism. This is because the optical structure that determines the angle of incidence of light in the process of measuring SPR depends on the geometry of the prism, so that the incident angle θ G (508) of the mechanically determined light is different from the incident angle θ R (505) within the prism associated with total reflection. Because. Therefore, the relationship between θ G (508) and θ R (505) should be closely examined by examining the dynamic range of the refractive index of the measurable liquid sample. Must be quantified.
도 5는 각 매질의 경계면에 따른 입사광의 각도에 대한 광의 경로를 나타낸다. 최초 입사광(510)은 프리즘 밑면(511)의 법선(501)과 θG (508)의 각도를 이룬다. 이것은 프리즘 밑면과 α(503)의 내부각도를 가지는 프리즘의 입사면(509)에 대한 법선(502)과 θi (507)의 각도를 이룬다. 이 입사광은 프리즘(504)내부로 들어오면서 프리즘의 굴절률로 인하여 입사면의 법선과 θⅱ (506)의 각도를 이루면서 진행한다. 진행된 광은 다시 밑면의 법선인 N 2(501)와 θR (505)의 각도를 이룬다.5 shows a path of light with respect to the angle of incident light along the interface of each medium. The first incident light 510 forms an angle of
도 5에서와 같이 우측에서 입사하는 광의 경로는 프리즘과 다른 매질이 만나는 각각의 경계면에서의 입사각과 굴절각에 의해 결정된다. 각각의 경계면에서의 법선 N 1, N 2에 대한 입사각과 굴절각을 구하기 위하여 스넬의 법칙을 적용하면 프리즘 빗면에 입사하는 광의 입사각 θi 에 대하여 프리즘 내에서 굴절된 광의 굴절각은 다음과 같다.As shown in FIG. 5, the path of light incident from the right side is determined by the angle of incidence and the angle of refraction at each interface where the prism and another medium meet. When Snell's law is applied to find the incidence angles and refraction angles for the normals N 1 and N 2 at each interface, the refraction angles of the light refracted in the prism with respect to the incident angle θ i of the light incident on the prism oblique plane are as follows.
식 2에서 nP 는 주어진 광의 파장에 대한 프리즘의 굴절률을 나타낸다.In
다음으로 프리즘 아랫면으로 입사하는 광의 프리즘 내에서의 입사각을 θR , 프리즘의 각도를 α라고 하면Next, if the incident angle in the prism of the light incident on the lower surface of the prism is θ R and the angle of the prism is α
로서 표현이 가능하다. 이때 반사된 후의 광의 경로는 입사할 경우와 반대이므로 반사된 후의 광의 경로는 위와 같은 방법으로 표현이 가능하다.Can be expressed as At this time, since the path of the reflected light is opposite to that of the incident, the path of the reflected light can be expressed by the above method.
여기에서 주목할 것은 만일 삼각형 프리즘이 아니라 반구형의 프리즘에 반원의 중심으로 광이 입사하게 되면 법선 N 1은 항상 원의 중심을 지나는 선이 되고 광은 법선을 따라 진행하므로 입사각 θR 은 위의 변환 관계식 [2], [3]의 도움 없이 θR =θG 로 되고 여기서 θG 는 회전 장치에 의해 주어지는 기계적인 측정각도를 나타낸다. 하지만 삼각형과 같은 임의의 각도를 갖는 프리즘의 경우는 프리즘 면에서의 반사와 굴절 때문에 위와 같은 변환관계가 필요하게 되며 다음의 관계식[4]를 이용하여 식 [2]의 θi 를 측정각 θG 로 표현하면, 삼각형의 프리즘의 경우 프리즘 내에서의 입사각을 θR 은 다음과 같이 식 [5]로 표현된다.It should be noted here that if light enters the center of a semicircle into a semi-spherical prism rather than a triangular prism, the normal N 1 will always be a line passing through the center of the circle and the light will travel along the normal, so the incident angle θ R is Without the help of [2] and [3], θ R = θ G where θ G represents the mechanical angle of measurement given by the rotating device. However, in the case of a prism having an arbitrary angle, such as a triangle, the above-described transformation relationship is necessary because of reflection and refraction in the prism plane. The following equation [2] is used to determine θ i of the equation [2] as the measurement angle θ G when expressed as the incident angle θ R in the case of a triangular prismatic prism it is represented by the formula [5] as follows.
위의 식 [6]의 반구형 프리즘의 경우와는 달리 식 [5]의 삼각형의 프리즘의 경우는 주어진 측정각 θG 에 대해 입사각 θR 이 비선형적인 것을 알 수 있는데 몇 가지 서로 다른 굴절률을 가진 45˚프리즘과 반구형 프리즘에 대해 적용한 결과는 도 6과 같다.Unlike the hemispherical prism of Equation [6] above, the triangular prism of Equation [5] shows that the incident angle θ R is nonlinear for a given measurement angle θ G. The results applied to the prism and the hemispherical prism are shown in FIG.
도 6은 기계적인 측정 각도와 실제 프리즘내부의 입사각과의 관계를 나타낸다. x축은 기계적인 측정각도이고 y축은 프리즘 내부에 있어서의 입사각이다. 도 5와 도 6을 비교한다면 도 6의 x축은 도 5의 θG (508)를 나타낸 것이고 도 6의 y축은 도 5의 θR 을 나타낸 것이다.6 shows the relationship between the mechanical measurement angle and the incident angle inside the actual prism. The x axis is the mechanical angle of measurement and the y axis is the angle of incidence inside the prism. 5 and 6, the x-axis of FIG. 6 represents
도 6의 그래프에서 반구형 프리즘(601)의 경우는 기계적 측정각과 프리즘내의 실제 입사각이 1 : 1로 대응되고 있지만, 프리즘의 굴절률이 서로 다른 BK7(602), BaK4(603), SF10(604) 재질의 삼각형 45˚프리즘의 경우는 주어진 기계적측정각 범위에 비해 실제 입사각의 측정범위가 제한된다는 것을 알 수 있다. 하지만 이러한 경향성에 비해 프리즘의 굴절률의 차이는 이러한 각도의 왜곡현상에는 크게 영향을 미치지 않는다는 것을 알 수 있다.In the graph of FIG. 6, the
한편 시료의 굴절률변화에 대한 공명각의 변화로 정의되는 SPR기기의 감도는 상기에서 서술되었듯이 일반적으로 프리즘의 굴절률에 의해서 크게 달라진다. 특히 이러한 효과를 알아보기 위해 반구형 프리즘과 같이 측정각과 프리즘 내 입사각이 일대일 대응을 이루는 경우의 도 7과 같이 프리즘의 굴절률에 따라 감도나 동적측정범위는 크게 변화하는데 도 7을 보면 프리즘의 굴절률이 커질수록 앞에서 논의한 것과 같이 동적 측정범위는 증가하지만 상대적으로 곡선의 기울기에 해당하는 감도 는 떨어진다는 것을 알 수 있다.On the other hand, the sensitivity of the SPR device, which is defined as the change of the resonance angle with respect to the change of the refractive index of the sample, is largely changed by the refractive index of the prism as described above. In particular, the sensitivity and dynamic measurement range are greatly changed according to the refractive index of the prism as shown in FIG. 7 when the measurement angle and the incidence angle in the prism correspond to a one-to-one correspondence like a hemispherical prism. As discussed earlier, the dynamic range increases, but the sensitivity corresponding to the slope of the curve decreases.
도 7은 633nm의 파장에서 굴절률이 서로 다른 BK7(701), BaK4(702), SF10(703) 재질로 만들어진 반구형 프리즘의 굴절률에 의한 감도와 동적측정범위의 효과를 나타낸 결과로서 Fresnel 방정식을 이용하여 광학적 상수가 n=0.2134, k=3.5, d=50 nm 인 금박막에 대한 3층 SPR구조에 대해 계산한 결과이다. 도 7에서 x축은 액체시료의 굴절률이고 y축은 공명각을 나타낸다.FIG. 7 shows the effect of sensitivity and dynamic measurement range on the refractive index of hemispherical prisms made of BK7 (701), BaK4 (702), and SF10 (703) materials having different refractive indices at a wavelength of 633 nm, using the Fresnel equation. The results are calculated for the three-layer SPR structure for gold thin films with optical constants n = 0.2134, k = 3.5, and d = 50 nm. In FIG. 7, the x axis represents the refractive index of the liquid sample and the y axis represents the resonance angle.
도 8은 633nm의 파장에서 BK7재질의 프리즘 중에서 반구형 프리즘(806)과 서로 다른 45˚(805), 60˚(804), 75˚(803), 90˚(802), 100˚(801)의 밑각(503)을 가지는 다섯 종류의 프리즘에 대한 기계적인 측정 각도와 실제 프리즘내부의 입사각과의 관계를 나타낸다. 도 8과 같이 반구형이 아닌 삼각형 프리즘의 경우는 앞에서 논의한 실제 입사각과 측정각 사이의 왜곡 현상 때문에 프리즘의 굴절률 외에도 프리즘의 구조자체에 의한 효과에 의해서도 SPR기기의 감도는 영향을 받게 된다. 앞의 결과들을 참조하면 삼각형 프리즘의 경우는 반구형 프리즘에 비해 프리즘 굴절률 효과에 의한 감도변화와 함께 측정각과 입사각의 왜곡에 의한 효과에 의해서도 기기감도가 증가하는 것을 알 수 있다. 물론 동일한 프리즘굴절률에 대해서 반구형 프리즘이나 삼각형프리즘의 프리즘 내에서의 입사각은 동일하기 때문에 시료굴절률에 대한 공명각의 변화를 정의할 때 프리즘 내에서의 입사각으로 공명각을 표현하면 감도는 동일한 결과를 나타내지만 실제 측정 각으로 표현하면 위와 같이 삼각형 프리즘의 경우는 각도의 왜곡현상 때문에 반구형 프리즘에 비해 감도가 증가하게 된다. 단 프리즘의 굴절률변화에 의한 감도와 동적측정범위의 상보관계처럼 삼각형프리즘의 경우는 감도는 개선되지만 동적측정범위가 반구형프리즘에 비해 심각하게 제한된다는 것을 알 수 있다.FIG. 8 shows 45 ° (805), 60 ° (804), 75 ° (803), 90 ° (802), and 100 ° (801) different from the hemispherical prism 806 among the BK7 prisms at a wavelength of 633 nm. The relationship between the mechanical measurement angle for the five kinds of prisms having the
이상을 종합하면 같은 굴절률을 가진 두 종류의 프리즘 즉, 반구형 프리즘과 삼각형 프리즘에 대해 삼각형 프리즘의 경우는 감도는 좋지만 상대적으로 동적 측정범위가 제한된다는 것을 알 수 있고, 특히 용액의 굴절률에 대해서는 반구형 프리즘의 경우는 동적측정범위는 좋아지지만 감도가 삼각형프리즘에 비해 다소 떨어진다는 것을 알 수 있다. 즉 프리즘굴절률에 의해서만 동적측정범위와 감도가 영향을 받는 것이 아니라 프리즘의 기하학적인 구조에 의해서도 변할 수 있다는 것을 보여주고 있다.In summary, the two types of prisms having the same refractive index, that is, the hemispherical prism and the triangular prism, have good sensitivity but relatively limited dynamic range, and especially for the refractive index of the solution. In the case of, the dynamic measuring range is improved, but the sensitivity is slightly lower than the triangular prism. In other words, the dynamic range and sensitivity are not affected only by the prism refractive index, but it can be changed by the geometric structure of the prism.
본 발명에서 감도와 동적측정범위가 향상된 프리즘의 구조라는 것은 다음과 같다. 상기에서 서술한 바와 같이 프리즘의 구조나 모양에 따라 SPR 기기의 동적측정범위와 감도가 달라질 수 있는 근거는 실제 측정각과 프리즘내의 입사각사이에 왜곡이 생긴다는 것에 있다. 이것은 앞의 식 [5]의 변환관계식에 의해 비선형적으로 측정각이 프리즘내의 입사각과 대응되기 때문에 나타나는 현상인데, 수식에서 동적측정범위와 감도에 영향을 주는 가장 직접적인 변수는 프리즘의 밑각(Base Angle)이라는 것은 수식을 살펴보면 자명하다. 따라서 기기의 동적측정범위와 감도에 대한 프리즘구조의 효과를 알아보기 위하여 프리즘의 밑각의 값을 변화시켰을 때 측정각과 입사각 사이의 변환관계를 계산한 결과를 도 8에 나타내었다.In the present invention, the structure of the prism with improved sensitivity and dynamic measurement range is as follows. As described above, the reason that the dynamic measurement range and sensitivity of the SPR device may vary depending on the structure or shape of the prism is that distortion occurs between the actual measurement angle and the incident angle in the prism. This phenomenon occurs because the angle of measurement corresponds to the angle of incidence in the prism nonlinearly by the conversion equation of Equation [5]. The most direct variable affecting the dynamic range and sensitivity in the equation is the base angle of the prism. ) Is obvious when looking at the formula. Therefore, in order to examine the effect of the prism structure on the dynamic measurement range and sensitivity of the device, the result of calculating the conversion relationship between the measurement angle and the incident angle when the value of the base angle of the prism is changed is shown in FIG. 8.
도 9는 도 8에서 나타낸 서로 다른 밑각을 가지는 프리즘의 각도변환의 결과 값을 미분한 그래프이다. 도 9에서 프리즘의 밑각이 45˚(901), 60˚(902), 75˚(903), 90˚(904), 100˚(905)로 증가할수록 주어진 측정입사각에 대해 프리즘 내의 입사각의 범위가 위쪽으로 이동하면서 기울기가 변화하는 것을 알 수 있다. 특히 각도의 변화에 대한 기울기변화에 관한 그래프를 보면 프리즘의 밑각에 해당하는 각도를 중심으로 기울기의 변화가 변곡점을 이루며 좌우대칭으로 나타나는 것을 볼 수 있다. 도 9에서 나타난 그래프의 경향은 결국 프리즘의 밑각이 커질수록 일정한 측정 범위에서 다른 작은 밑각을 가진 프리즘에 비해 기울기의 변화가 급격해지는 것을 의미한다.FIG. 9 is a graph obtained by differentiating a result of angle conversion of prisms having different base angles shown in FIG. 8. In FIG. 9, as the base angle of the prism increases to 45 ° (901), 60 ° (902), 75 ° (903), 90 ° (904), and 100 ° (905), the range of the incident angle in the prism for a given measurement angle You can see that the slope changes as you move upwards. In particular, if you look at the graph of the change in the slope with respect to the change of the angle, the change in the slope is formed in the inflection point around the angle corresponding to the base angle of the prism appears symmetrically. The trend of the graph shown in FIG. 9 means that the larger the base angle of the prism, the sharper the change in the slope than the other prism having the smaller base angle in a certain measurement range.
도 10은 단순히 도 8의 그래프를 x축과 y축을 서로 바꾸어 도 8에 비해 비교 우위를 갖고자 그래프로 나타낸 것으로서, 반구형프리즘에 비해 프리즘의 밑각이 큰 프리즘이 주어진 프리즘내의 입사각에 대해 측정각의 변화가 월등히 크다는 것을 알 수 있다. 특히 액체시료의 굴절률변화에 대한 공명각의 변화는 식 [1]에 의해 결정되는 것을 고려하면 프리즘의 밑각이 커질수록 SPR기기의 감도가 개선된다는 것을 알 수 있다.FIG. 10 is a graph showing the graph of FIG. 8 simply to have a comparative advantage compared to FIG. 8 by swapping the x-axis and the y-axis, and the angle of measurement for the incident angle in the prism given a prism having a larger base angle of the prism than the hemispherical prism. You can see that the change is huge. In particular, considering that the change in the resonance angle with respect to the refractive index change of the liquid sample is determined by Equation [1], it can be seen that as the base angle of the prism increases, the sensitivity of the SPR device is improved.
또한 프리즘의 밑각이 작은 경우의 프리즘들은 실제 측정할 수 있는 기계적입사각에 비해 프리즘내의 실제 입사각이 제한받는다는 것을 알 수 있는데 이러한 입사각의 범위가 바로 동적측정범위와 직접 관련된다는 것을 고려하면 프리즘의 밑각이 커질수록 동적측정범위의 영역이 고굴절률 방향으로 증가하고 있는 것을 알 수 있다. 이는 반구형프리즘에 비해 뛰어난 감도를 가짐에도 불구하고 동적측정범위의 제한이라는 근본적인 한계를 가진 삼각형프리즘의 성능을 개선하는 것으로써 단순히 굴절률을 증가시키는 방법이 아니라 프리즘의 밑각을 변화시키는 방법을 통 해 획득한 것이다. 물론 동적측정범위가 반구형프리즘에 비해 더 개선된 것은 아니지만 실제로 응용분야에서 필요한 유효동적측정범위인 용액의 굴절률근처의 측정이 반구형프리즘이 아님에도 불구하고 계측할 수가 있게 되는 것이다.In addition, it can be seen that the prism of the prism in the case where the prism is small is limited to the actual angle of incidence in the prism compared to the mechanical angle of incidence. Considering that the range of the angle of incidence is directly related to the dynamic measurement range, the prism of the prism is It can be seen that the area of the dynamic measurement range increases in the direction of high refractive index as it increases. This is achieved by changing the base angle of the prism, not simply by increasing the refractive index, by improving the performance of the triangular prism, which has a fundamental limitation of dynamic range, despite its superior sensitivity compared to the hemispherical prism. It is. Of course, the dynamic measurement range is not improved compared to the hemispherical prism, but it can be measured even though the measurement near the refractive index of the solution, which is actually the effective dynamic measurement range required for the application, is not a hemispherical prism.
도 11은 단색광원 635nm를 굴절률 1.5667의 BaK4 재질의 반구형프리즘(1101)과 90˚프리즘(1102)에 대한 실제 굴절률에 대한 공명각의 변화의 관계를 나타낸 그래프로서 x축은 액체시료의 굴절률이고 y축은 공명각이다. 도 11은 90˚프리즘을 이용하여 반구형프리즘과 거의 유사한 유효동적측정범위를 가지면서도 보다 월등한 감도를 가지도록 할 수 있다는 것을 보인다.11 is a graph showing the relationship between the change in the resonance angle with respect to the actual refractive index for the
도 12a는 도 11의 반구형 프리즘(1101)에 있어서 서로 다른 1.32(1201), 1.34(1202), 1.36(1203), 1.38(1204), 1.40(1205), 1.42(1206)의 굴절률을 가지는 액체시료에 대한 공명각의 변화를 나타낸 것이고, 도 12b는 도 11의 90˚프리즘(1102)에 있어서 서로 다른 1.32(1201), 1.34(1202), 1.36(1203), 1.38(1204), 1.40(1205), 1.42(1206)의 굴절률을 가지는 액체시료에 대한 공명각의 변화를 나타낸 것이다.12A illustrates liquid samples having different refractive indices of 1.32 (1201), 1.34 (1202), 1.36 (1203), 1.38 (1204), 1.40 (1205), and 1.42 (1206) in the hemispherical prism 1101 of FIG. Figure 12b shows the change in the resonant angle with respect to Fig. 12b is 1.32 (1201), 1.34 (1202), 1.36 (1203), 1.38 (1204), 1.40 (1205) different for the 90 ° prism 1102 of Figure 11 , 1.42 (1206) shows the change in resonance angle for a liquid sample.
도 11과 도 12a 및 도 12b에서와 같이 용액의 굴절률이 1.32에서 0.02씩 증가할 때 반구형프리즘의 경우에 비해 90˚프리즘이 훨씬 넓은 영역에서 계측될 수 있음을 보여주고 있다. 단, 도 11과 도 12a 및 도 12b의 결과들은 Fresnel 방정식을 이용하여 광학적 상수가 n=0.2134, k=3.5, d=50nm 인 금 박막에 대한 3층 SPR구조에 대해 계산한 결과이다.As shown in FIGS. 11, 12A, and 12B, when the refractive index of the solution is increased by 1.32 to 0.02, the 90 ° prism can be measured in a much wider area than the hemispherical prism. However, the results of FIGS. 11, 12A, and 12B are calculated using the Fresnel equation for the three-layer SPR structure for the gold thin film having optical constants of n = 0.2134, k = 3.5, and d = 50nm.
도 13a는 역사다리꼴 프리즘(1304)에서의 입사광이 최초 입사면(1301)과 프 리즘의 바닥면(1302) 및 최종 출사면(1303)을 거치면서 생기는 투과와 반사에 대한 대략적인 모식도이고 도 13b는 평행사변형 프리즘(1308)에서의 입사광이 최초 입사면(1305)과 프리즘의 바닥면(1306) 및 최종 출사면(1307)을 거치면서 생기는 투과와 반사에 대한 대략적인 모식도이다.FIG. 13A is a schematic diagram of transmission and reflection generated when incident light from an
도 11 및 도 12a와 도 12b에서 나타는 경향성을 바탕으로 동적측정범위의 증가와 감도의 증가를 극대화시키기 위하여 프리즘의 밑각을 제한없이 90˚도가 넘는 각도로 설계하는 것은 도 13a에서 반사와 투과의 모식도에 의해 현실적으로 불가능하다는 것을 보여준다. 그 이유는 역사다리꼴 모양의 프리즘인 도 13a에서 보듯이 밑각이 90˚도가 훨씬 넘는 프리즘에 대해 우측에서 입사하는 광이 금속박막이 있는 바닥 면을 제외한 나머지 각각의 입사면에 대해 일부 반사와 일부 투과하는 과정에서 도13a와 같이 투과도가 저각으로 갈수록 급격히 떨어지기 때문이다. 그 결과로 세 개의 경계면을 지난 전체의 반사도는 식 7로 표현된다.Based on the tendency shown in FIGS. 11 and 12A and 12B, the design of the prism base at an angle of more than 90 ° without limit in order to maximize the increase of the dynamic measurement range and the increase of the sensitivity is shown in FIG. 13A. It is shown that it is impossible by the schematic diagram. The reason for this is that, as shown in FIG. 13A, which is an inverted trapezoidal prism, the light incident from the right side of the prism far below 90 ° is partially reflected and partially transmitted to each incident surface except the bottom surface of the metal film. This is because the transmittance rapidly decreases toward the lower angle as shown in FIG. 13A during the process. As a result, the total reflectivity across the three boundaries is expressed by:
따라서 SPR계측의 성능을 향상시키기 위해 프리즘의 밑각을 크게 하는 것은 제한되기 때문에 이러한 투과도의 한계를 개선하기 위하여 도 13b와 같이 한쪽 면만 밑각을 크게 하고 다른 면은 반대로 밑각을 작게 만든 평행사변형모양의 프리즘을 사용한 경우의 각 면에서의 투과도는 도 15와 같이 역사다리꼴 모양의 프리즘을 사용한 도 14의 경우보다는 개선됨을 확인할 수 있다. 이는 SPR현상이 근본적으로 프리즘내의 입사각에 관련되며 이 각은 첫 번째 입사면에 대해 영향을 받기 때문에 바닥 면에서 반사된 이후의 면에서의 각도는 중요하지 않다는 이유에서 비롯된 결 과이다.Therefore, since the base angle of the prism is limited to improve the performance of the SPR measurement, in order to improve the limitation of the permeability, a parallelogram-shaped prism in which only one side has a large base angle and the other side has a small base angle as shown in FIG. It can be seen that the transmittance at each side in the case of using is improved than in the case of FIG. 14 using the inverted trapezoidal prism as shown in FIG. This is due to the fact that the SPR phenomenon is fundamentally related to the angle of incidence in the prism, and that angle is affected by the first plane of incidence, so that the angle from the plane after reflection from the bottom plane is not important.
도 14와 도 15는 금속 박막을 증착하지 않은 프리즘에 대한 공기중에서의 반사도 결과로서 도 14는 역사다리꼴에 대한 것이고 도 15는 평행사변형에 대한 것이다.14 and 15 show reflectivity in air for a prism not depositing a thin metal film. FIG. 14 shows an inverse trapezoid and FIG. 15 shows a parallelogram.
도 14에서 최초 20˚을 기준으로 위의 곡선(1401)은 도 13a의 첫째 입사면(1301) 또는 마지막 투과면(1303)에 대한 투과도를 나타내고 아래의 곡선(1402)은 도 13a에서 각 면(1301, 1302, 1303)의 투과도와 반사도를 모두 고려한 역사다리꼴 프리즘 전체를 지난 광 강도의 결과이다.In FIG. 14, the
도 15에서 최초 20˚를 기준으로 위에서 첫 번째 곡선(1501)은 도 13b의 마지막 투과면(1307)을 지난 투과도이며, 두 번째 곡선(1502)은 도 13b의 첫 번째 입사면(1305)에 대한 투과도를 나타내고, 세 번째 곡선(1503)은 도 13b에서 각 면(1305, 1306, 1307)의 투과도와 반사도를 모두 고려한 평형사변형 프리즘 전체를 지난 광 강도의 결과이다.In FIG. 15, the
도 16에서는 금속박막이 증착된 역사다리꼴 프리즘과 평행사변형 프리즘에 대해서 굴절률이 1.33인 물의 SPR 곡선을 나타낸다. 평행사변형 프리즘에 대한 SPR 곡선(1601)은 역사리꼴에 프리즘에 대한 SPR 곡선(1602)에 비해 임계각을 나타내는 27˚근처의 변곡점이 좀더 명확히 나타내진다.FIG. 16 shows an SPR curve of water having a refractive index of 1.33 for an inverted trapezoid prism and a parallelogram prism on which a metal thin film is deposited. The
도 17a는 상기 도 5, 도 9 및 도 11에서 설명된 프리즘을 활용한 주사형 (Scanning) 방식의 각도분해형 SPR 측정시스템의 광학계구성도이다. 도 17a에서 레이저와 같은 단색광원(1702)에서 출발한 입사광(1706)은 빔스플리터(1704)를 지나 일부 입사광은 기준신호계측용 광다이오드(1703)에 도달하고 나머지 입사광은 금속박막이 증착된 프리즘(1705)의 바닥면에서 반사된 후 실제신호계측용 다이오드(1701)에 도달된다.FIG. 17A is an optical system configuration diagram of an angle resolution type SPR measuring system using a scanning method using the prism described with reference to FIGS. 5, 9, and 11. In FIG. 17A, incident light 1706 starting from a monochromatic
도 17b는 상기 도 5, 도 9 및 도 11에서 설명된 프리즘을 활용한 쐐기형 방식의 각도분해형 SPR 측정시스템의 광학계구성도이다. 도 17b는 광원과 여러 개의 렌즈로 구성된 광학계(1708)에서 쐐기형모양의 광(1709)을 만들어 금속박막이 증착된 프리즘(1705)의 바닥면에서 반사된 후 다채널 광검출기(1707)에 도달되는 일련의 광학계구성을 나타낸다.FIG. 17B is an optical system configuration diagram of a wedge-type angle resolution type SPR measuring system using the prism described with reference to FIGS. 5, 9, and 11. FIG. 17B shows a
도 18은 상기 도 5, 도 9 및 도 11에서 설명된 프리즘을 활용하여 두 개 이상의 측정위치를 감지할 수 있도록 한 이차원 SPR 영상 측정시스템의 광학계구성도이다. 도 18은 광원과 여러 개의 렌즈로 구성된 광학계(1801)에서 평행모양의 광(1806)을 만들어 금속박막이 증착된 프리즘(1802)의 바닥면에서 반사된 후 2차원 다채널 광검출기(1803)에 도달되는 일련의 광학계구성을 나타낸다. 도 18에서 프리즘의 밑면에 대해서 광원 및 여러 개의 렌즈로 구성된 광학계(1801)와 2차원 다채널 광검출기(1803)는 각도를 변화시키거나 고정시킬 수 있다. 이때 광원 및 여러 개의 렌즈로 구성된 광학계(1801)와 2차원 다채널 광검출기(1803)의 각도가 고정되어 있다면 측정하고자 하는 시료의 종류에 의존하여 서로 다른 입사각(1805)을 가져야 한다는 점에서 프리즘의 밑각을 변화시켜 프리즘 밑면에 대한 광의 입사각도(1805)를 원하는 대로 변화시킬 수 있다. 또한 광원 및 여러 개의 렌즈로 구성된 광학계(1801)와 2차원 다채널 광검출기(1803)의 각도를 변화시킬 수 있다면 프리즘의 각도를 고정할 수도 있다.FIG. 18 is an optical system configuration diagram of a two-dimensional SPR image measuring system capable of detecting two or more measurement positions using the prism described with reference to FIGS. 5, 9, and 11. FIG. 18 shows parallel light 1806 in an
상기에서 살펴본 바와 같이 종래의 삼각형프리즘은 동적측정범위가 굴절률이 높은 용액에 대해서는 제한되지만 광학적 구조에 의해 감도가 반구형프리즘에 비해 뛰어난 점을 가지고 있다. 이러한 삼각형프리즘의 근본적인 한계를 개선하기위하여 프리즘의 밑각을 증가시키는 방법을 통해 프리즘의 굴절률을 증가시키지 않고도 동적측정범위를 높였으며 고유의 감도 또한 더 증가시켜 반구형프리즘과 거의 유사한 동적측정범위를 가지면서도 용액에 대해 감도는 반구형 프리즘에 비해 거의 두 배 증가시키는 효과를 가져왔다. 이러한 프리즘을 활용하면 반구형프리즘에 비해 가공이 용이한 장점때문에 굴절률 정합용 물질을 사용하지 않고 직접 프리즘아래에 금속박막을 증착시켜 일회용 SPR 센서칩으로 활용할 수 있다. 특히 유기용매와 같이 굴절률이 높은 용액에 대해 측정을 해야 하는 분야에서 그 활용가치는 높다 할 수 있다. 더구나 거의 대부분 종래의 시스템이 고정된 프리즘아래에 센서칩을 부착, 교환하는 방식으로 되어있어 굴절률측정의 범위가 제한되어있으나 프리즘을 직접 일회용으로 교환하게 되면 손쉽게 서로 다른 굴절률을 가진 프리즘 센서칩을 교환함으로써 시료의 굴절률 측정범위를 조절할 수 있는 장점이 있다.As described above, the conventional triangular prism has a superior dynamic range compared to the hemispherical prism due to the optical structure, although the dynamic measurement range is limited to a solution having a high refractive index. In order to improve the fundamental limitation of the triangular prism, by increasing the base angle of the prism, the dynamic measuring range is increased without increasing the refractive index of the prism, and the inherent sensitivity is further increased to have a dynamic measuring range similar to that of the hemispherical prism. Sensitivity to the solution resulted in an almost double increase compared to the hemispherical prism. The prism can be used as a disposable SPR sensor chip by directly depositing a metal thin film under the prism without using a material for refractive index matching because of its advantages of being easier to process than a hemispherical prism. In particular, its useful value may be high in the field where measurement is required for high refractive index solutions such as organic solvents. Moreover, almost all conventional systems have a method of attaching and exchanging sensor chips under fixed prism, which limits the range of refractive index measurement.However, if a prism is replaced by a disposable one, it is easy to replace prism sensor chips with different refractive indices. By doing so, there is an advantage of controlling the refractive index measurement range of the sample.
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