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바이오물질 분석을 위한 새로운 광학 시스템 연구

Study of new optical systems for the analysis of bio-materials

  • 윤승현 (바이오융합기술협동과정)

초록/요약 도움말

본 논문에서는 바이오 물질 분석을 위한 새로운 광학시스템을 연구하였다. 기준빛과 신호빛의 균형이 잘 맞은 헤테로다인 I/Q-간섭계를 새롭게 구성하였으며, 1319nm의 파장을 갖는 레이저를 이용하여 IR 호모다인 I/Q-간섭계를 만들었다. 또한, 샘플을 빠른 속도로 스캔 할 수 있는 real time raster 스캔장치를 개발하였으며, 미소 빛 검출을 위한 CPC-광섬유 전달 링크를 시뮬레이션 및 설계하였다. I/Q-간섭계의 경우, 일반적인 두 빛살 간섭계의 단점인 되먹임 제어가 필요 없으며, 간섭계의 위상과 진폭을 독립적으로 측정할 수 있다는 장점이 있다. 또한 높은 검지율을 가지고 있어 바이오 센서로서의 응용에 많은 활용 가능성이 있을 것으로 사료된다. 그러나 일반적인 두 빛살 간섭계의 경우 기준빛과 신호빛이 기하학적으로 분리된 경로를 진행하기 때문에 외부 환경적 변화에 자유로울 수 없다는 단점이 있다. 본 논문에서는 이와 같은 문제를 해결하기 위해 두 빛의 균형이 기하학적으로 잘 맞은 헤테로다인 I/Q-간섭계를 구성하였다. 새롭게 구성한 간섭계의 안정도 테스트에서 두 빛의 균형이 잘 잡힌 경우와 그렇지 않은 경우에 대한 common mode rejection ratio측정결과 ~19dB 정도이며, 전체 시스템의 long term stability 는 약 100분 측정 결과 SD가 으로 매우 안정적인 것을 확인할 수 있었다. 이를 이용하여 자체 제작한 fluidic channel에서 다양한 용액의 농도에 따른 굴절률 변화를 측정하였으며, 이때 측정한 ethylene glycol의 최소 농도는 0.001wt% 이며 측정된 굴절률 변화는 0.031rad이다. 이 fluidic channel system의 안정도는 RMS noise 가 로 측정이 되었으며, 이로 추측 하건데, 이 간섭계로 측정할 수 있는 최소 굴절률 변화 는 RIU로 계산 되어 진다. 또한 새롭게 구성한 간섭계의 경우 read out sensor로 사용시 stage에 의한 진동, 속도 등에 자유로울 수 있음을 테스트를 통해 보여주었다. 이를 이용하여 단백질 칩의 항원의 농도에 따른 굴절률 변화를 측정하였으며, 측정 결과 항원의 농도가 1pg/mL의 적은 변화에도 매우 큰 위상 변화를 가져옴으로써 이보다 더 작은 농도도 측정 가능할 것으로 생각된다. 바이오 샘플의 경우 가시광 영역에 흡수 스펙트럼이 형성되므로IR 대역의 파장을 가진 레이저 빛은 가시광 영역의 파장을 가질 빛보다 바이오 샘플을 측정하기에 보다 유리한 이점이 있다. 본 연구에서는 IR 호모다인 I/Q-간섭계를 구성하였으며, 이를 이용하여 바이오 샘플과 비슷한 구조를 가지는 이종 매질로 구성된 시료를 만들었다. 또한 이를 측정 및 분석함으로써 바이오 센서로의 응용가능성을 확인하였다. 주사형 현미경의 단점인 스캔속도를 개선하기 위해 real time raster 스캔 장치를 개발하였다. 광학 시뮬레이션을 통하여 집광광학계 및 수광광학계를 설계하였으며, 50Hz로 구동하는 전자기 구동기를 설계하여 샘플을 빠르게 스캔 할 수 있도록 구성하였다. 테스트 결과 일정한 패턴의 모양을 정확히 읽어내는 것을 확인할 수 있었으며, 이를 이용한 바이오 메디컬 및 바이오 센서 등에 적용 가능할 것으로 생각된다. 마지막으로 미소 빛 검출을 위한 CPC-광섬유 전달링크를 설계하였다. 광학 시뮬레이션을 통해 빛을 수광 하기 위한 최적의 CPC를 설계하였으며, CPC에 의해 수광된 빛을 효율적으로 광섬유에 전송할 수 있도록 하였다. 이렇게 설계한 CPC를 제작하여 CPC-광섬유 coupling 실험을 하였다. 실험결과 CPC에 의해 방출되는 빛의 세기는 ~0.95 로 측정이 되었으며 광섬유 한 개만 놓았을 때 ~0.22 로 측정이 되어, CPC를 놓았을 경우가 광섬유를 놓았을 때보다 면적대비 약8%의 집광효율이 증가함을 보여주었다.

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초록/요약 도움말

In this paper, the new optical systems for the analysis of bio-materials have been studied. The newly constructed heterodyne I/Q-interferometer, the signal and the reference beam are well balanced. The laser having a wavelength of 1319nm was used for making IR homodyne I/Q-interferometer. Further, a real time raster scanning device which can be imaged rapidly samples was developed. The CPC-fiber for the transfer link to detect low light were simulated and designed. Generally the two beam interferometer is required for feedback control. The advantage of I/Q-interferometer is that feedback control is not required and the amplitude and phase of the interferometer can be measured independently. In addition, it has a high detection rate so that there is a possibility of the use of many applications such as biosensors. However, generally the two beam interferometer, the signal and the reference beam are geometrically separated which is the disadvantage that it can be exposure easily to external environmental noise. In this paper, in order to solve such a problem, the balanced heterodyne I/Q-interferometer geometry was constructed. The stability test of the newly constructed interferometer is ~19dB of common mode rejection ratio noise when it is taken well balanced in both light. In stability test of the newly constructed interferometer is about 100 minutes measurement standard deviation that was able to confirm that it was very stable such as 4 8.8 10 rad. 0.001wt% of concentration of the ethylene glycol can be measured, which is corresponding to RI 8 2.3 10  RIU. Further, the newly constructed interferometer, the vibrations caused by the scanning stage in a scanning microscope can be rejected. By measuring the change in refractive index due to the concentration of the anti-gen of the protein, the change less 1pg/mL of anti-gen concentration can be measured since the measurement of 1pg/mL can provide the large phase change. For biological samples, the absorption spectrum is formed in the visible light region, the laser source in the IR wavelength is advantageous to measure the biological sample than the laser source in the visible wavelength. In this study, it constitutes the IR homodyne I/Q-interferometer and made sample are composed of heterogeneous II medium having the same structure as the biological sample. Further, by analyzing the measurement result show that this interferometer can be apply for biosensor application. We have developed a real time raster scanning system in order to improve the scanning speed. Through an optical simulation, the condensing lens and receiving part were constructed. Also the electromagnetic for driving the 50Hz device was designed. The result of the test, it is ensured the accurately read the shape of a bar pattern. Using the real time raster scanning device, it can be applied to biosensor and biomedical. Finally, we designed CPC-fiber, the transfer link to detected small intensity of light. By using optical simulation program, the CPC was designed for efficiently receiving light and transfer to optical fiber. The designed CPC was used for CPC-fiber coupling experiments. Results of the experiment, the intensity of light receiving by the CPC is about 0.95W while intensity of light receiving by direct use of a fiber is ~0.22W . This result showed that the collection efficiency by using CPC is about 8% better than using the fiber.

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