바이오ㆍ화학 센싱 응용을 위한 새로운 간섭계 시스템에 대한 연구
Novel interferometer schemes for bio-chemical sensing applications.
- 주제(키워드) interferometer , biochemical sensor , Acousto-optics modulator
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 조규만
- 발행년도 2011
- 학위수여년월 2011. 2
- 학위명 박사
- 학과 및 전공 일반대학원 물리학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000046500
- 저작권 서강대학교의 논문은 저작권 보호를 받습니다.
초록/요약
본 연구 논문을 통하여 바이오-화학 센싱 응용을 위한 새로운 간섭계 시스템 장치에 대하여 연구하였다. 본 연구 논문은 크게 두 부분으로 나뉘어져 있다. 첫 번째 부분에서는 기존 간섭계의 문제로 제기되어 왔던 위상펴기(phase unwrapping), 2π 모호성(2π ambiguity) 및 주기적 비선형성(periodic nonlinearity) 등을 해결하기 위한 새로운 간섭계 시스템에 대한 연구를 수행하였으며, 두 번째 부분은 간섭 측정 방식의 바이오-화학 센서 시스템 및 센서 개발에 대한 연구를 수행하였다. 헤테로다인 I/Q 간섭계는 변조된 간섭신호를 복조 하기 위하여 RF 통신의 위상복조 기술을 사용하므로 간단한 신호처리 장치를 구성할 수 있으며, 높은 분해능으로 간섭신호의 위상과 진폭을 동시에 측정할 수 있기 때문에 센서 응용에 많은 장점을 가지고 있다. 위와 같은 장점에도 불구하고 위상복원 혹은 위상펴기, 2π 모호성, 주기적 비선형성 등에 의한 문제는 간섭계의 정밀도를 저하시키게 된다. 또한 간섭계 시스템을 바이오-화학 센서에 응용하기 위해서는 시스템의 광학적 구조가 간단해야 한다. 이와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 세가지 새로운 간섭계 시스템을 구성하였다. 첫째로는 일정위상 되먹임 방법을 통하여 헤테로다인 간섭계의 주기적 비선형성을 약 1nm이하까지 줄일 수 있음을 실험적으로 확인하였다. 비선형성 줄이는 것 외에도, 위 방법을 통해 주사현미경 응용 시 항상 일정한 초점위치를 유지할 수 있어 최적의 횡방향 분해능을 유지할 수 있는 장점이 있다. 다음으로 위상복원 및 2π 모호성 극복을 위한 연구를 수행하였다. 위상펴기 과정 없이 되먹임 장치의 출력신호가 위상 복원된 신호로 사용되는 일정위상 되먹임 방법과 비점수차법을 이용하여 2π 모호성 없이 간단히 위상복원 할 수 있었다. 비점수차법을 이용한 간섭계는 2π 모호성 없이 최대 16µm의 측정범위를 가짐을 실험적으로 확인하였다. 일정위상 방법 및 비점수차법은 헤테로다인 및 호모다인 등 간섭계의 형태와 종류에 상관없이 모든 간섭계에서 직접적으로 적용할 수 있기 때문에 매우 유용한 방법이다. 마지막으로 AOM을 이용하여 헤테로다인 간섭계를 구성하였으며, 특히 double-pass 방법을 이용하여 매우 간단한 광학계 구조를 갖는 I/Q간섭계를 구현할 수 있었다. 제안된 간섭계는 추가적인 광학 부품 없이 balanced detection이 가능함을 이론적 및 실험적으로 증명하였으며, 10-13m의 광축방향 분해능을 가짐을 확인하였다. Shot-noise-limit값 보다 약간 좋지 않은 것은 실험에 사용된 A/D 변환기의 분해능 (16bit resolution)에 의한 한계로 판단된다. 또한 간섭계의 형태를 변경하지 않고 반사형 및 투과형 모든 구성이 가능하기 때문에 유연하게 센서응용에 활용할 수 있을 것이다. 연구 논문의 두 번째 주제는 간섭계를 기반으로 하는 광 바이오-화학 센서에 대해 연구이다. 본 연구논문에서는 세 종류의 센서를 구성하였다. 첫째로는 표면 플라즈몬 공명 현상과 공동 경로 호모다인 간섭계를 결합하여 광학정렬이 매우 간단하면서도 검지율이 높은 산소센서를 개발하였다. 헤모글로빈을 센싱 물질로 사용하여 상온에서 10ppm의 산소농도까지 측정할 수 있었고, 420ms의 빠른 응답특성을 가짐을 실험적으로 확인하였다. 다음으로 호모다인 간섭계와 pump-probe 방식의 광 정렬을 이용하여 나노복합박막에서의 비선형 광학현상에 대한 연구를 수행하였다. 제안된 측정방법은 위상 검지율이 10-7 rad. 이상으로 높은 정밀도를 나타내었으며, 나노복합박막에서의 광학적 비선형성은 나노입자의 크기에 비례하여 선형적으로 증가하고, 약 10-7 cm2/W정도로 기존에 알려진 것에 비해 약 104 이상 큰 비선형 굴절 계수 값을 나타내었다. 마지막으로 I/Q 호모다인 간섭계를 이용하여 단백질 바이오칩의 리드아웃 기술에 대한 연구를 수행하였다. 실험 결과로부터 간섭계를 이용한 리드아웃 장치는 1pg/mL(~40fM)의 항원 농도까지 구별할 수 있음을 확인하였다. 본 연구 논문을 통해 간섭계가 가지고 있는 고유의 단점들을 극복하고 새로운 시스템과 센서 기초연구 결과를 제시함으로써 바이오-화학 센서 개발에 매우 유용하게 응용될 것으로 기대하고 있다.
more초록/요약
In this thesis, extensive researches on novel interferometer schemes and their applications on bio-chemical sensing are presented. This thesis consists of two parts: In the first part, novel methods which can overcome or mitigate drawbacks in conventional two-beam interferometry are presented while, in the second part, applications of interferometer schemes on bio-chemical sensing are presented. Heterodyne I/Q-interferometer scheme has a big advantage in sensor applications because it can measure the amplitude and phase change induced on the probe beam simultaneously. However, like any other conventional interferometers, in a heterodyne I/Q-interferometer, periodic nonlinearity and 2π-ambiguity may be major drawbacks in phase retrieving or unwrapping for high sensitivity and wide measurement range measurements in interferometric sensor applications. In this thesis three new heterodyne interferometer schemes have been proposed: Firstly, a constant-phase scanning interferometer scheme is proposed. In this scheme, the absolute value of the phase difference between the reference and probe beam, which is measured by using an I/Q-interferometer, is used as the error signal for the feedback control of the constant phase scanning. It will be shown that the periodic nonlinearity and 2π-ambiguity can be significantly improved by employing this scheme. Secondly, a new phase unwrapping scheme employing the astigmatism position sensing technique in the confocal arrangement, which is a standard technique for regulating distance of the head in a DVD, is presented. The astigmatism position sensor is integrated into one arm of the interferometer to obtain the distance between the focal plane and the object. The signal from the position sensor is used for determining the multiplicity of 2π in the phase unwrapping process. The 2π-ambiguity caused by the periodic nature of phase measurement is corrected by employing this technique. The dynamic range for measuring displacement is extended up to 16µm by using a 50X infinite correlated objective lens. Thirdly, a novel heterodyne I/Q-interferometer scheme utilizing the double-pass arrangements of the deflected beams of the acousto-optic modulator is proposed. The proposed heterodyne interferometer has the following advantageous features : (1) it has a simpler optical arrangement than that of a conventional heterodyne interferometer, (2) either a transmission or a reflection arrangement can be used for a sensing application which gives more flexibility in optical arrangement, (3) the paths of the PB and the RB are very close so that interferences caused by uncorrelated local fluctuations of refractive index can be minimized, and (4) exact balancing of the phase and amplitude can be achieved in optical domain. We believe that these novel heterodyne interferometer schemes are very useful and potential multi-functional high-resolution imaging method in various applications such as bio-imaging, semiconductor inspection, etc. In the second part of this thesis three different sensor schemes based on homodyne interferometer are introduced. In the first sensor scheme, a surface plasmon oxygen gas sensor, in which a common path homodyne sensor is integrated to measure the induced phase change of the probe beam, is presented. Hemoglobin is used as the sensing material for the oxygen gas sensor. The proposed sensor scheme can be used for high sensitivity measurement of the induced phase of the p-polarized probe beam of the SPR. By using this sensor scheme, 10ppm concentration of the oxygen gas can be measured at room temperature. Response time of the proposed gas sensor is 0.42 second in concentration change from 0% to 20%. In the second sensor scheme, a high sensitivity and precision measurement of optical nonlinearities of metal-nano-cluster-composite films, in which only single layer of Au nanoparticles are embedded in dielectric matrix, is presented. In this scheme, a common-path balanced homodyne interferometer with pump-probe arrangement is used, for which films with very small optically induced phase changes ranging from to can be determined. In the third scheme, a homodyne I/Q-interferometer is used as a biochip readout sensor. In the biochip, the sandwich enzyme-linked immunosorbent assasys (ELISA) with various antigen (Interleukin 5) concentrations were produced on the Au array patterns by using the self-assembled monolayer method. Changes in optical properties of the ELISA were measured by using a homodyne I/Q-interferometer, for which the phase and amplitude change of the reflected beam can be measured simultaneously. Our preliminary results show that sub-pg/mL antigen concentration can be measured.
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