KR101012763B1

KR101012763B1 - 원자자력계를 이용한 초고감도 투자율 검출장치 및 그이용방법

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Publication number: KR101012763B1
Application number: KR1020080054638A
Authority: KR
Inventors: 김기웅; 이용호; 권혁찬; 김진목; 박용기
Original assignee: 한국표준과학연구원
Priority date: 2008-06-11
Filing date: 2008-06-11
Publication date: 2011-02-08
Anticipated expiration: 2028-06-11
Also published as: US20100327869A1; US8044663B2; KR20090128735A

Abstract

본 발명은, 원자자력계 교류 투자율 측정기술에 기반을 둔 것으로서, 더욱 상세하게는 광펌핑 원자자력계가 자기장 측정 민감도가 우수하다는 것을 이용하여, 피측정대상인 시료에 의한 교류 자기투자율의 변화를 측정함으로써, 초미량 시료(예를 들어, 생체 분자)의 검출이 가능한 측정장치 및 그 이용방법에 관한 것이다. 본 발명은 시료에 의한 자기장에 영향을 받는 알칼리 금속원자가 포함된 셀(110); 셀(110)의 알칼리 금속원자를 자기분극시키는 광원부(120); 알카리 금속원자의 측정 공명주파수를 조절하기 위한 바이어스 자기장(Bo)을 인가하는 바이어스자기장 인가부(130);를 포함하는 원자자력수단(100); 시료를 자기적으로 여기시키기 위하여 소정의 주파수를 갖는 복수개의 교류자기장(Bs₁,Bs₂)으로 구성된 여기자기장(Bs)을 시료에 인가하는 여기자기장 인가수단(200); 및 여기자기장(Bs)에 의하여 자기적으로 여기된 시료에 의한 자기장(B)에 영향을 받은 알칼리 금속원자의 자기분극의 변화를 측정하여 시료의 투자율 변화를 검출하는 검출수단(300);을 포함하는 것을 특징으로 한다.

원자자력계, 자성나노입자, 투자율, 자기분극, 공명 주파수, 생체분자

Description

원자자력계를 이용한 초고감도 투자율 검출장치 및 그 이용방법{Ultra-sensitive permeability detecting apparatus using atomic ＡＣ susceptometer and using method thereof}

본 발명은, 원자자력계 교류 투자율 측정기술에 기반을 둔 것으로서, 더욱 상세하게는 광펌핑 원자자력계가 자기장 측정 민감도가 우수하다는 것을 이용하여, 피측정대상인 시료에 의한 교류 자기투자율의 변화를 측정함으로써, 초미량 시료(예를 들어, 생체 분자)의 검출이 가능한 측정장치 및 그 이용방법에 관한 것이다.

최근 유전자 및 단백질 연구가 활발해지면서, 빠르고 정밀한 생체분자(예를 들어, 단백질, 박테리아, 바이러스, 병원균, DNA 등)의 검출이 요구되고 있다. 생체분자의 검출방법으로는 주로 항원-항체 결합반응을 이용한 방법이 이용되면, 특정 병원체나 암표지자 또는 심근경색 표지자는 이미 키트의 형식으로 발매되어 임상병리검사등에 널리 활용되고 있는 실정이다.

그 기술중 하나로서, 효소결합면역흡수법(ELISA: Enzyme-Linked ImmunoSorbent Assay)을 설명하면 다음과 같다. 우선, 도 1a에 도시된 바와 같이, 특정 항체(12)를 검출하기 위하여 칩(10)상에 켤레의 항원(13)을 배치한다. 항원- 항체반응에 의하여 칩(10)상에 배열된 켤레의 항원(13)에는 도 1b에 도시된 바와 같이, 항체(12)가 결합된다. 이러한 항체(12)에 형광물질 또는 동원원소의 표시자(15)를 결합시킨 후 세척한다. 그러면, 도 1c에 도시된 바와 같이, 세척이 끝난 후의 항체(12)는 항원(13)과 결합되어 있고, 동시에 표시자(15)와도 결합된 상태이다. 이때, 표시자(15)가 발생하는 형광의 강도 등을 읽어 피측정대상인 항체(12)를 검출한다. 이러한 효소결합면역흡수법은 세척과정과, 항원-항체 결합 이외에 표시자(15)의 결합과정이 추가되는 등 과정이 복잡하다는 문제점이 있다. 또한, 표시자(15)로서의 형광물질을 생체분자인 항체(12)가 흡수하여 발광하므로, 측정 정확도가 감소하는 문제가 있다.

효소결합면역흡수법보다 간편하고 정밀한 기술로, 자성나노입자를 이용한 투자율 감쇠 면역검사법이 개발되었다. 이 방법은 도 2a에 도시된 바와 같이, 생체분자 정도의 크기를 갖는 자성나노입자(24)에 항원(26)을 붙인 자성시약을 이용한다. 이 때의 항원(26)은 피측정대상인 항체(27)에 친화력이 좋은 켤레 항원이다. 각각의 자성나노입자(24)는 자기모멘트를 갖으며, 서로 뭉치지 않도록 막(25)으로 싸여있다. 막(25)의 일예로 덱스트란(Dextran)이 사용된다.

자성나노입자(24)에 외부에서 교류자기장을 인가하면, 도 2b에 도시된 바와 같이, 자성나노입자(24)는 크기에 따라 서로 다른 주파수의 외부 교류자기장에 공명하여 회전한다. 공명에 의하여 회전하는 자성나노입자(24)는 외부 교류자기장과 같은 주파수의 자기장을 발생하여, 높은 투자율을 보인다. 만약 자성나노입자(24)들의 크기가 균일하다면, 자기모멘트의 진동의 크기는 특정 주파수에서 최고 치(peak)를 갖게 된다. 이때, 이러한 자성시약 용액에 측정하고자 하는 항체(27)가 포함되면, 항원(26)이 붙은 자성나노입자(24)는 항체(27)를 매개로, 자성나노입자(24)끼리 서로 뭉치게 된다. 서로 뭉친 자성나노입자들(30)은 외부 자기장의 변화에 대응하여 회전하기 어렵게 되어, 결국 자성시약 속의 항체(27)는 자성나노입자(24)를 포함한 시약의 교류 투자율을 감소시킨다. 자성시약에 항체(27)가 포함되어 있을 때의 투자율을 항체가 없는 경우의 투자율로 정규화하면, 자성시약의 농도와 무관한 교정곡선을 얻을 수 있고, 정량적인 항체(27)의 농도도 결정할 수 있다.

즉, 특정 주파수의 교류자기장을 자성시약에 인가하고, 자성시약에 포함된 자성나노입자(24)들의 진동으로부터 발생되는 자기장의 크기변화를 정밀 측정하면, 자성시약 중 포함된 항체(27)를 검출할 수 있다.

이 경우 사용되는 검출장치는 코일을 사용한 유도식 검출기가 일반적이나, 유도식 검출기는 감도가 약해서, 측정 감도가 저하되는 문제가 있었다. 그리하여, 감도가 크게 향상된 검출장치로 고온초전도 양자간섭장치(High-Tc SQUID)가 개발된바 있다.

이러한 투자율 감쇠 면역검사법은 자성나노입자 및 교류 자기장이 피측정대상인 항체와 전혀 반응하지 않고, 그 과정이 간단하다는 장점이 있다. 그러나, 이 방법의 측정 감도는 검출장치에 전적으로 의존하는 단점이 있다. 앞서 언급한 코일을 사용하는 유도식검출기의 경우, 높은 Q값을 이용한 공명회로가 요구되나 유도코일의 공명주파수를 쉽게 변화시킬 수 없는 문제가 있으며, 보다 정밀한 측정이 가능한 고온초전도 양자간섭장치는 감도가 우수하나, 초전도 현상을 이용하므로, 값 비싼 냉매를 소모한다. 따라서, 그 소요비용이 연간 약 2천만원~8천만원에 해당하는 등 관리 및 유지비용이 비싸다는 문제가 있어, 냉각이 필요없는 새로운 검출장치의 개발이 요구되었다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명은 투자율 감쇠 면역검사법에서 활용가능한 원자자력계를 이용한 초고감도 투자율 변화검출장치를 개발하여, 면역검사법의 감도를 비약적으로 개선함을 그 목적으로 한다.

또한, 값비싼 냉매를 소모하지 아니하고, 측정 공명주파수의 이동이 용이한 원자자력계를 이용하여 측정이 간편한 초고감도 투자율 변화검출장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구체적 수단으로서, 원자자력계를 이용한 초고감도 투자율 검출장치는 시료에 의한 자기장에 영향을 받는 알칼리 금속원자가 포함된 셀(110); 셀(110)의 알칼리 금속원자를 자기분극시키는 광원부(120); 알칼리 금속원자의 측정 공명주파수를 조절하기 위한 바이어스 자기장(Bo)을 인가하는 바이어스자기장 인가부(130);를 포함하는 원자자력수단(100); 시료를 자기적으로 여기시키기 위하여 소정의 주파수를 갖는 복수개의 교류자기장(Bs₁,Bs₂)으로 구성된 여기자기장(Bs)을 시료에 인가하는 여기자기장 인가수단(200); 및 여기자기장(Bs)에 의하여 자기적으로 여기된 시료에 의한 자기장(B)에 영향을 받은 알칼리 금속원자의 자기분극의 변화를 측정하여 시료의 투자율 변화를 검출하는 검출수단(300);을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 바이어스 자기장(Bo)의 방향은 알칼리 금속원자의 자기분극 방향과 평행한 것이 바람직하다.

그리고, 여기자기장(Bs)은 바이어스 자기장(Bo)과 수직이 되도록 함이 바람직하다.

또한, 여기자기장 인가수단(200)은 소정의 주파수를 갖는 교류자기장을 발생시키는 여기코일부(210,212)가 복수개 구비되어, 각각의 교류자기장의 주파수(f₁,f₂)와 각각의 교류자기장의 주파수(f₁,f₂)의 정수배는 알칼리 금속원자의 측정 공명주파수와 다른 값을 갖도록 한다.

아울러, 여기자기장(Bs)이 셀(110)에 영향을 미치지 않도록 여기자기장 인가수단(200)에는 감쇄코일부(400);가 더 포함됨이 바람직하다.

그리고, 교류자기장의 주파수들(f₁,f₂)의 선형적인 합(af₁+bf₂)은 알칼리 금속원자의 측정 공명주파수(

)가 됨이 바람직하다.

또한, 셀(110)은 셀(110)의 외부로의 열손실을 차단하는 오븐구조체(112)의 내부에 위치할 수 있다.

그리고, 셀(110)의 주변에는, 광원부(120)의 광(122)의 굴절률이 열에 의하여 변화되는 것을 방지하고, 셀(110)의 열손실을 차단하는 진공튜브(114);가 더 포함될 수 있다.

아울러, 검출수단(300)은, 셀(110)에 편광된 입력광(352)을 조사하는 편광 광원부(310); 셀(110)을 투과한 투과광(354)의 편광각을 측정하는 투과광 측정부(320); 및 편광각의 신호에 기초하여 시료의 투자율을 검출하는 투자율 검출부(330);를 포함함이 바람직하다.

또한, 바이어스자기장 인가부(130)는 균일한 자기장을 형성할 수 있는 복수개의 코일부로 구성되는 것이 바람직하다.

이때, 복수개의 코일부는 헬름홀츠 코일이다.

그리고, 측정에 필요한 자기장 이외의 기타 주변의 잡음 자기장을 차단하기 위한 자기차폐수단(500);이 더 구비됨이 바람직하다.

또한, 피측정대상은 자성나노입자 처리된 생체분자 또는 자성체가 될 수 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 수단으로서, 투자율 검출장치를 이용하는 방법은 시료부(1000)에 피측정 대상이 포함된 시료를 채우는 단계(S100)와; 알칼리 금속원자를 포함한 셀(110)에 광(122)을 입사하여 알칼리 금속원자를 광펌핑하는 단계(S200)와; 광펌핑된 알칼리 금속원자를 포함한 셀(110)에 바이어스 자기장(Bo)을 인가하는 단계(S300)와; 시료를 여기시키기 위한 소정의 주파수(f₁,f₂)를 갖는 복수개의 교류자기장(Bs₁,Bs₂)으로 구성된 여기자기장(Bs)을 인가하는 단계(S400); 및 여기자기장(Bs)에 의하여 여기된 시료에 의한 자기장(B)으로 인하여, 자기분극이 변화된 셀(110)의 자기분극 변화로부터 시료의 투자율 변화 를 검출하는 단계(S600);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 광펌핑단계(S200)에서, 광(122)은 원편광된 광이 바람직하다.

그리고, 여기자기장 인가단계(S400)와 상기 검출단계(S600) 사이에, 복수개의 교류자기장(Bs₁,Bs₂)의 주파수(f₁,f₂)들의 선형결합된 값(af₁+bf₂)과 원자자력계의 측정주파수(

)를 일치시키기 위하여, 바이어스 자기장(Bo)을 조절하는 단계(S500);가 더 포함될 수 있다.

그리고, 여기자기장 인가단계(S400)에는, 감쇄코일부(400)를 이용하여 셀에 미치는 상기 여기자기장을 상쇄하는 단계(S402);가 더 포함될 수 있다.

아울러, 검출단계(S600)는, 선편광된 입력광(352)을 상기 셀(110)에 조사하는 단계(S602); 셀(110)을 통과한 투과광(354)의 편광각을 측정하는 단계(S604); 및 편광각의 신호에 기초하여 알칼리 금속원자의 자기분극 변화를 검출하여 시료의 투자율 변화를 검출하는 단계(S606);를 포함함이 바람직하다.

그리고, 시료의 투자율 변화에 기초하여 생체분자의 농도를 획득하는 단계(S700)가 더 포함될 수 있다.

이 때, 생체분자의 농도 획득단계(S700)는, 검출단계(S600)에서의 시료의 투자율 변화를 상기 시료에 생체분자가 포함되지 아니한 경우의 시료의 투자율로 정규화하여 교정곡선을 얻는 단계(S702); 및 교정곡선에 기초하여 생체분자의 정량적인 농도를 획득하는 단계(S704);를 포함됨이 바람직하다.

본 발명인 원자자력계를 이용한 초고감도 투자율 검출장치는 기개발된 코일을 이용한 유도식 검출기보다 약 1000만배 이상 민감하고, 초전도 양자간섭장치보다 약 100배 민감하다는 장점이 있다.

그리고, 본 발명인 원자자력계를 이용한 초고감도 투자율 검출장치는 저온냉각이 필요없어 헬륨 등의 값비싼 냉매를 소모하지 아니하므로 유지비용이 저렴하고 관리가 용이하다는 장점이 있다.

또한, 측정 공명주파수를 용이하게 가변하는 것이 가능한바, 투자율 감쇠 면역검사법에 쉽게 이용할 수 있는 장점이 있다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 바람직한 실시예로 설명한다. 본 발명을 설명하기에 앞서 관련된 공지기능 및 구성에 대한 구체적 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 설명은 생략하기로 한다.

<원자자력계를 이용한 초고감도 투자율 검출장치>

도 3은 본 발명인 원자자력계를 이용한 초고감도 투자율 검출장치의 측면구성도이고, 도 4는 도 3의 투자율 검출장치를 상부에서 내려다 본 횡단면도를 도시한 것이다.

본 발명인 원자자력계를 이용한 초고감도 투자율 검출장치는 원자자력수단(100), 여기자기장 인가수단(200)과 측정수단(300) 등을 포함한다.

원자자력수단(100)은 알칼리 금속원자가 포함된 셀(110), 알칼리 금속원자를 자기분극(자화)시키는 광원부(120)와 알칼리 금속원자의 자기공명 주파수를 조절하기 위한 바이어스자기장 인가부(130) 등을 포함한다.

셀(110)에는 알칼리 금속원자와 완충기체가 포함되어 있다. 알칼리 금속원자는 포타슘, 루비듐, 세슘등이 있다. 완충기체의 일예로 헬륨, 제논 등의 불활성 기체가 있고, 기타 질소기체 등을 퀀칭(Quenching)기체로 사용할 수 있다.

셀(110)은 오븐구조체(112)의 내부에 위치하며, 셀(110)과 하기될 광원부(120) 사이에는 진공튜브(114)가 구비된다. 오븐구조체(112)는 알칼리금속원자를 포함한 셀(110)의 외부로의 열손실을 차단하는 역할을 한다. 오븐구조체(112)는 전열, 뜨거운 공기의 순환이나 뜨거운 액체의 순환 등의 방법을 통해 알칼리 금속원자의 증기압을 조정한다.

셀(110)의 주변에는 진공튜브(114)가 구비되어 있다. 진공튜브(114)는 셀(110)의 열손실을 차단하는 오븐구조체(112)의 윈도우 역할을 한다. 또한, 광원부(120)에서 출력되는 광의 굴절률이 열에 의하여 변화되는 것을 방지하기 위하여 진공으로 구성하며, 유리 등의 재질로 구성한다.

광원부(120)는 셀(110)에 소정의 광(122)을 출력하여, 셀(110)에 포함된 알칼리 금속원자를 광펌핑시킨다. 이때 광원부(120)에서 출력되는 광(122)은 원편광된 광을 사용할 수 있다. 광원부(120)에 의하여 소정의 광이 조사되면, 셀(110) 내부의 알칼리 금속원자 증기는 양자역학적 선택규칙에 의하여 특정 파장의 원편광의 광을 흡수한다. 연속된 흡수와 재방출 과정을 통하여 알칼리 금속원자들은 하나의 양자상태로 몰리게 된다. 즉 광펌핑된다. 광펌핑된 알칼리 금속원자의 스핀은 한방 향으로 향하게 되고, 그 방향에 평행한 자기분극(자화)이 형성된다. 자기분극의 방향은 도 3에서 z축 방향이 될 것이다.

바이어스자기장 인가부(130)는 셀(110)에 소정의 바이어스 자기장(Bo)을 인가한다. 바이어스자기장(Bo)의 방향은 알칼리 금속원자의 자기분극 방향과 평행하다. 바이어스자기장 인가부(130)는 균일한 자기장을 형성할 수 있는 복수개의 코일부로 구성되며, 그 일예로 헬름홀츠 코일이 사용될 수 있다. 헬름홀츠 코일은 넓은 공간에서 균일한 자기장분포를 얻을 수 있어 본 발명에 적합하다. 셀(110)에 포함된 알칼리 금속원자는 바이어스 자기장(Bo)에 의하여, 바이어스 자기장(Bo)이 인가된 축을 중심으로 세차운동한다. 이때 세차운동의 각속도는

이다.

은 알칼리 금속원자의 회전자기비율(gyromagnetic ratio)이다.

피측정대상인 시료는 시료부(1000)에 위치하고, 시료부(1000)는 원자자력수단(100)의 상부에 위치한다. 오븐구조체(112)에 의하여 시료부(1000)는 방열차단된다. 시료에는 투자율의 변화를 측정하고자하는 피측정대상이 포함되며, 피측정대상으로는 박테리아, 바이러스, DNA 등이 있으며, 투자율의 변화를 검출하고자 하는 것이라면 그 종류를 불문한다. 특히, 피측정대상이 생체분자중 항체라면, 시료는 항원이 붙어있는 자성나노입자와 항체의 혼합상태이다. 즉, 자성나노입자 처리가 된 생체분자의 상태이다.

여기자기장 인가수단(200)은 시료부(1000)에 담긴 시료, 특히 자성나노입자를 자기적으로 여기시키기 위한 여기자기장(Bs)을 시료부(1000)로 인가한다. 여기자기장(Bs)의 방향은 바이어스자기장(Bo)의 방향과 수직이다. 여기자기장 인가수단(200)은 비조화 변조법을 사용하기 위하여 복수개의 여기코일부(210,212)로 구성되며, 각각의 여기코일부(210,212)는 소정의 주파수(f₁,f₂)를 갖는 교류자기장(Bs₁,Bs₂)을 발생시킨다. 복수의 여기코일부(210,212)에서 발생되는 복수의 교류자기장(Bs₁,Bs₂)이 여기자기장(Bs)이다.

시료를 자기적으로 여기시키기 위하여 여기코일부(210)를 하나만 사용하여 여기자기장(Bs)을 직접 시료에 인가하는 경우, 여기자기장(Bs)은 시료에 의한 자기장(B)보다 크므로, 셀(110)에 포함된 알칼리 금속원자가 먼저 여기자기장(Bs)과 반응하여 피측정대상인 시료의 투자율을 측정할 수 없게 된다. 따라서, 여기자기장(Bs)에 대한 셀(110)의 직접적인 반응을 방지하고자 비조화 변조법을 이용한다.

이하, 비조화 변조법을 이용하는 여기자기장인가수단(200)에 대하여 자세히 설명한다. 설명의 편의를 도모하기 위하여 여기자기장인가수단(200)을 구성하는 여기코일부(210,212)의 갯수가 2개인 경우로 설명한다. 2개의 여기코일부중 하나를 제1여기코일부(210)라 하고, 나머지 하나를 제2여기코일부(212)라 한다. 다만, 이는 예시일뿐 여기코일부(210,212)의 갯수가 2개로 한정되는 것은 아니다.

제1여기코일부(210)에 의하여 소정의 제1주파수(f₁)를 갖는 교류자기장(Bs₁) 이 시료부(1000)에 인가되고, 제2여기코일부(212)에 의하여 소정의 제2주파수(f₂)를 갖는 교류자기장(Bs₂)이 시료부(1000)에 인가된다. 이 때, 제1주파수(f₁)와 제2주파수(f₂)와 이들 주파수의 정수배는 알칼리 금속원자의 측정 공명주파수 (

)와 다른 값을 가져야 한다. 이 때 인가되는 교류자기장(Bs₁ _,Bs₂)들의 제1주파수(f₁)와 제2주파수(f₂)는 수 kHz정도이고, 원자자력수단(100)의 반응선폭(즉,자기공명선폭)은 약 100Hz정도이다. 그러므로, 제1,2여기코일부(210,212)를 사용하여 복수개의 교류자기장(Bs₁ _,Bs₂) 즉, 여기자기장(Bs) 인가시 셀(110)에 직접적인 영향을 미치지 아니할 수 있다.

이하의 [수학식 1]은 하나의 여기코일부(210)에 의하여 시료에 교류자기장(Bs₁)이 인가되는 경우 시료의 자기분극의 크기를 나타낸다. [수학식 1]은 시료에 포함된 자성나노입자가 약 30 nm의 산화철 입자인 경우로, 산화철 입자의 자화는 약 50 kA/m 이고 상온 온도에 대한 자기에너지의 크기비가 10^- ³정도로 매우 작으므로, 자기분극(자화)의 크기는 이하와 같다.

이 때, M은 입자 자기분극의 크기이고,

는 진공투자율, m은 자성나노입자 하나의 자화의 크기, H는 외부자기장, k_B는 볼츠만 상수, T는 온도를 나타낸다.

자성나노입자의 자기분극은 외부자기장의 3승을 비롯한 고차항에 비례하는 비선형 항들이 생긴다. 그러므로 소정의 주파수(f₁,f₂)를 갖는 교류자기장(Bs₁ _,Bs₂)을 각각 별도의 여기코일부(210,212)를 사용하여 인가하면, 자성나노입자는 자기적으로 여기되고, 자성나노입자는 고차비선형 항으로 인해 af₁+bf₂ 에 해당하는 고조파 주파수를 갖는 자기장(B)을 발생시킨다. 결국, 시료에 의한 자기장(B)은 af₁+bf₂ 의 주파수를 갖는다. a,b 는 임의의 상수이다.

이하에서는 검출수단(300)에 대하여 설명한다. 측정수단(300)은 자기적으로 여기된 시료에 의한 자기장(B)에 영향을 받은 알칼리 금속원자의 자기분극의 변화를 측정하여, 시료의 투자율을 검출한다. 측정수단(300)은 도 4에 도시된 바와 같이, 편광 광원부(310), 투과광 측정부(320) 및 투자율 검출부(330)를 포함한다.

편광 광원부(310)는 시료에 의한 자기장(B)에 영향을 받은 알칼리 금속원자가 포함된 셀(110)에 입력광(352)을 조사한다. 이 때, 입력광(352)은 선편광된 광을 사용함이 바람직하다. 또한 알칼리 금속원자의 광학적 흡수 파장에서 다소 벗어난 파장의 선편광된 광을 조사함이 바람직하다. 선편광된 광(352)은 도 4에 도시된 바와 같이, x축방향으로 조사된다. 선평광된 광(352)은 셀(110)에 포함된 알칼리 금속원자의 자기분극의 x축 사영성분에 비례하여 선편광의 각이 변화된다.

투과광 측정부(320)는 상기 셀(110)을 통과한 투과광(354)을 측정하여, 알칼 리 금속원자의 자기분극의 변화를 측정한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 셀(110)을 통과한 투과광(354)의 편광각은 알칼리 금속원자의 자기분극의 x축성분에 비례하여 회전한다. 투과광 측정부(320)를 사용하면, 투과광(354)으로부터

의 주파수를 갖는 신호를 얻을 수 있으며, 신호의 진폭은 시료부(1000)중 항체에 의하여 결합되지 않은 자성나노입자의 양에 비례한다. 시료부(1000)에 피측정대상인 생체분자(항체)가 많이 포함되어 있을 경우, 항원이 붙어있는 자성나노입자는 항원-항체반응에 의하여 서로 결합되어 자성나노입자군을 형성하고, 이러한 자성나노입자군은 회전관성이 커진다. 회전관성이 커진 자성나노입자군은 자성나노입자 각각의 특정 회전주파수에 맞추어진 여기자기장(Bs)에 반응하지 않는다. 따라서 시료부(1000)에 생체분자가 많이 포함될수록, 생체분자를 매개로 하여 서로 결합되지 않은 자성나노입자의 양은 감소하여, 투과광(354)으로부터 획득한 신호의 진폭은 감소한다. 이러한 신호의 진폭감소는 시료의 교류 투자율감소를 나타낸다.

투자율 검출부(330)는 투과광(354)으로부터 획득한 신호에 기초하여, 시료의 투자율을 검출하고, 투자율로부터 시료에 포함된 생체분자의 양을 추정할 수 있다. 또한, 검출부는 시료부(1000)에 생체분자가 포함된 경우의 자성나노입자의 투자율을 정규화하여 교정곡선을 획득하고, 교정곡선에 기초하여 생체분자의 농도를 정량적으로 획득할 수도 있다.

본 발명에 따른 초고감도 교류 투자율 측정장치에는 자기차폐수단(500)이 더 구비됨이 바람직하다. 셀(110)에 영향을 미치는 자기장은 시료에 의한 자기장(B)뿐이어야 하므로, 측정조건 이외의 자기장 잡음을 차단하는 자기차폐수단(500)이 필요하다. 자기차폐수단(500)은 뮤메탈 등의 연자성체로 이루어진 피동적 자기차폐수단(500)이거나 코일의 집합으로 이루어진 능동적 자기차폐수단(500)일 수 있다.

또한, 여기자기장 인가수단(200)에는 감쇄코일부(400)가 더 구비됨이 바람직하다. 감쇄코일부(400)는 여기자기장 인가수단(200), 즉 복수개의 여기코일부(210,212) 각각에 직렬연결된다. 또한 여기코일부(210,212)와 수직이 되도록 도 3에 도시된 바와 같이, xz평면상에 구비된다. 여기코일부(210,212)에 의한 강한 교류자기장(Bs₁,Bs₂)은 원자자력수단(100)의 선폭을 넓혀 자기장 민감도를 감소시키므로, 여기코일부(210,212)에 의한 교류자기장(Bs₁,Bs₂)이 셀(110)에 최대한 미치지 않도록 하기 위함이다. 감쇄코일부(400)도 각각의 여기코일부(210,212)에 직렬연결되도록 복수개 구비됨이 바람직하다.

<투자율 변화검출장치의 이용방법>

도 5는 본 발명인 원자자력계를 이용한 초고감도 교류 투자율 측정장치를 이용하는 방법의 흐름도이다.

우선, 시료부(1000)에 피측정대상이 포함된 시료를 채운다(S100). 시료에는 앞서 언급한 대로, 자성나노입자 처리가 된 생체분자 또는 자성체가 포함된다.

광원부(120)에서 셀(110)로 소정의 광을 조사하여, 셀(110)에 포함된 알칼 리 금속원자를 광펌핑시킨다(S200). 알칼리 금속원자는 광의 흡수와 재방출 과정을 통하여 하나의 양자상태를 갖게 된다. 즉, 알칼리 금속원자의 스핀은 한방향을 향하게 되고 그 방향에 평행한 자기분극이 형성된다. 자기분극의 방향은 도 3의 좌표축에서 z축 방향이 될 것이다.

다음은, 광펌핑된 알칼리 금속원자가 포함된 셀(110)에 바이어스자기장 인가부(130)을 이용하여 바이어스자기장(Bo)을 인가한다(S300). 이때 인가되는 바이어스 자기장(Bo)은 알칼리 금속원자의 자기분극 방향과 같은 방향이다. 바이어스 자기장(Bo)이 인가된 알칼리 금속원자는 바이어스 자기장(Bo)의 방향(도 4의 z축) 을 축으로

의 각속도로 세차운동한다.

이 후, 시료부(1000)에 여기자기장(Bs)을 인가한다(S400). 여기자기장 인가단계(S400)는 복수개의 여기코일부(210,212)를 이용하여 소정의 주파수(f₁,f₂)를 갖는 교류자기장(Bs₁,Bs₂)을 복수개 인가하는 방식, 즉 비조화 변조법에 의함이 바람직하다. 시료부(1000)에 포함된 자성나노입자의 크기가 균일한 경우, 시료에 인가되는 여기자기장(Bs) 즉, 여기코일부(210,212)에 의하여 인가되는 서로 다른 주파수의 교류자기장(Bs₁,Bs₂)에 의한 자성나노입자의 반응(시료에 의한 자기장(B)의 발생)은 각 주파수들의 선형결합인 af₁+bf₂에서 지배적이다.

여기코일부(210,212)를 이용하여 교류자기장(Bs₁,Bs₂)을 인가한다. 그러면, 여기자기장(Bs)에 의하여 자기적으로 여기된 시료부(1000)에서는 af₁+bf₂에 해당하 는 주파수를 갖는 자기장(B)이 발생된다(S500). 이러한 시료에 의한 자기장(B)은 셀(110)에 포함된 알칼리 금속원자에 영향을 미친다. 자기공명이론에 의하여 알칼리 금속원자의 자기분극은 도 4의 좌표계에서 xy평면상으로 눕게 되어, 자기분극의 x축 성분이 발생된다. 자기분극의 x축 성분은 세차운동에 의하여

의 주파수로 진동한다. 알칼리 금속원자의 자기분극의 x축 성분은

의 주파수로 진동하는 시료에 의한 자기장(B)이 셀(110)에 인가될 때에만 발생한다.

따라서, 하기될 검출단계(S600)에 앞서, 시료에 의한 자기장(B)의 주파수(af₁+bf₂)를

로 변조함이 바람직하다(S500). 주파수 변조는 복수개의 여기코일부(210,212)에서 발생하는 교류자기장(Bs₁,Bs₂)의 주파수의 선형적인 합(af₁+bf₂)이

가 되도록, 각각의 주파수(f₁,f₂)를 조절할 수 있다. 또한, 바이어스자기장(Bo)을 조절하여 주파수 변조할 수 있다. 바이어스자기장(Bo)의 조절로 원자자력수단(100)의 측정 공명주파수(

)를 이동하면, 시료에 의한 자기장(B)만에 의한 알칼리 금속원자의 반응을 유도할 수 있다.

또한, 여기자기장 인가단계(S400)에서, 감쇄코일부(400)를 이용하여 셀(110) 에 미치는 여기자기장(Bs)의 영향을 차단함이 바람직하다(S402).

그 다음으로, 셀(110)에 소정의 광을 조사하고, 투과광을 통하여 투자율 변화를 검출하는 검출단계를 설명한다(S600). 편광 광원부(310)에서 선편광된 광이 셀(110)에 조사된다(S602). 일반적으로 선편광된 광은 광의 진행방향에 평행한 자기분극 성분에 비례하여 편광이 회전하는 특성이 있다. 이러한 특성을 이용하기 위하여, 편광 광원부(310)에서 출력된 선편광된 광은 도 4에 나타난 바와 같이, 알칼리 금속원자의 자기분극의 x축 방향으로 조사된다. x축 방향으로 조사된 선편광된 광은 알칼리 금속원자의 자기분극의 x축 성분에 비례하여 회전한다. 투과광 측정부(320)에서는 셀(110)을 지난 투과광의 편광각을 측정한다(S604). 편광각을 측정하면 투자율 검출부(330)에서는 편광각의 신호를 통해 셀(110)의 알칼리 금속원자의 자기분극의 x축성분(편광된 광의 진행방향에 평행한 성분)을 검출할 수 있고, 검출된 알칼리 금속원자의 자기분극의 x축성분의 변화로부터 시료의 투자율의 변화를 검출할 수 있다(S606).

그 다음으로, 검출단계(S600)에서 획득된 시료의 투자율 변화를 기초로 피측정대상인 시료에 포함된 항체의 농도를 획득할 수 있다(S700). 자성나노소자에 결합된 항원과 생체분자인 항체의 항원-항체반응에 의하여 알칼리 금속원자의 자기분극의 x축 성분이 달라지므로, 역으로 추적하면 생체분자인 항체의 농도를 측정할 수 있다.

생체분자의 농도 획득단계(S700)를 살펴보면 다음과 같다. 검출단계(S600)에서의 시료의 투자율 변화를 시료에 생체분자가 포함되지 아니한 경우의 시료의 투 자율로 정규화하여 소정의 교정곡선을 얻을 수 있다(S702). 이러한 교정곡선에 기초하면 시료부(1000)에 포함된 자성나노입자와 항체 등의 농도와 무관한 생체분자의 정량적인 농도를 획득할 수 있다(S704).

상술한 이용방법으로, 국부항생제로 사용되는 말라카이트 그린(Leuco Malachite Green: 분자량 324)을 검출한 경우를 살펴보면 다음과 같다. 생선등의 수중생물에 대한 기생충, 물곰팡이 방지용으로 사용되는 말라카이트 그린은 생선의 근육조직안에서 소멸되지 않고 축정되는바, 강력한 발암물질인 것으로 밝혀졌다. 본 발명에 따른 초고감도 교류 투자율 검출장치를 이용하여 상기의 방법으로 검출하면 10^-8ppb의 감도를 얻을 수 있었다. 이는 종래의 투자율 감쇠 면역검사법에서 유도코일을 이용하는 경우 0.12ppb의 감도를 얻을 수 있었던 경우와, 초전도 양자간섭장치를 이용한 경우 10^-6ppb의 감도를 얻을 수 있었던 경우에 비하여 측정감도가 우수함을 나타낸다.

< 변형예 >

본 발명의 또 다른 실시예로서, 앞서 설명한 생체분자로서 항체 또는 말라카이트 그린 등의 생물학적인 용도 외에 일반적인 자성체의 정밀 교류 투자율 측정에 사용할 수 있다. 본 발명에 따른 초고감도 교류 투자율 측정장치는 샘플의 온도를 극저온영역으로 낮추지 않아도 박막 등의 매우 작은 양의 경우도 투자율의 측정이 가능하므로, 그 두께나 양을 불문하고 여러가지 자성재료의 특성을 조사하는데 이 용할 수 있음은 물론이다.

비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어 졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구범위는 본 발명의 요지에 속하는 한 다양한 수정이나 변형을 포함할 것이다.

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 한정되어 해석되어서는 아니된다.

도 1a 내지 도 1c는 종래의 기술에 따른 효소결합면역흡수법의 측정순서에 따른 상태도,

도 2a 내지 도 2b는 종래의 기술에 따른 자성나노입자를 이용한 투자율 감쇠 면역검사법의 개념도,

도 3은 본 발명에 따른 초고감도 교류 투자율 측정장치의 측단면도,

도 4는 도 3의 초고감도 교류 투자율 측정장치를 y축 선상에서 내려다 본 횡단면도,

도 5는 본 발명에 따른 초고감도 투자율 검출장치를 이용하는 방법을 나타낸 흐름도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10: 칩

12, 27: 항체

13, 26: 항원

15: 표시자

24: 자성나노입자

25: 막

30: 서로 결합된 자성나노입자들

100: 원자자력수단

110: 셀

112: 오븐구조체

114: 진공튜브

120: 광원부

130: 바이어스자기장 인가부

200: 여기자기장 인가수단

210: 제1여기코일부

212: 제2여기코일부

300: 측정수단

310: 편광 광원부

320: 투과광 측정부

400: 감쇄코일부

500: 자기차폐수단

1000: 시료부

Claims

피측정대상이 포함된 시료에 의한 투자율 변화를 측정하는 장치에 있어서,

상기 시료에 의한 자기장에 영향을 받는 알칼리 금속원자가 포함된 셀(110); 상기 셀(110)의 알칼리 금속원자를 자기분극시키는 광원부(120); 상기 알칼리 금속원자의 측정 공명주파수를 조절하기 위한 바이어스 자기장(Bo)을 인가하는 바이어스자기장 인가부(130);를 포함하는 원자자력수단(100);

상기 시료를 자기적으로 여기시키기 위하여 소정의 주파수를 갖는 복수개의 교류자기장(Bs₁,Bs₂)으로 구성된 여기자기장(Bs)을 상기 시료에 인가하는 여기자기장 인가수단(200); 및

상기 여기자기장(Bs)에 의하여 자기적으로 여기된 시료에 의한 자기장(B)에 영향을 받은 상기 알칼리 금속원자의 자기분극의 변화를 측정하여 상기 시료의 투자율 변화를 검출하는 검출수단(300)을 포함하되, 상기 여기자기장 인가수단(200)은 소정의 주파수를 갖는 교류자기장을 발생시키는 여기코일부(210,212)가 복수개 구비되어,

상기 각각의 교류자기장의 주파수(f₁,f₂)와 상기 각각의 교류자기장의 주파수(f₁,f₂)의 정수배는 상기 알칼리 금속원자의 측정 공명주파수와 다른 값을 갖고, 상기 교류자기장의 주파수들(f₁,f₂)의 선형적인 합(af₁+bf₂)은 상기 알칼리 금속원자의 측정 공명주파수(
)가 되는 것을 특징으로 하는 원자자력계를 이용한 초고감도 투자율 검출장치.
제 1항에 있어서,

상기 바이어스 자기장(Bo)의 방향은 상기 알칼리 금속원자의 자기분극 방향과 평행한 것을 특징으로 하는 원자자력계를 이용한 초고감도 투자율 검출장치.
제 1항에 있어서,

상기 여기자기장(Bs)은 상기 바이어스 자기장(Bo)과 수직인 것을 특징으로 하는 원자자력계를 이용한 초고감도 투자율 검출장치.
삭제
제 1항에 있어서,

상기 여기자기장(Bs)이 상기 셀(110)에 영향을 미치지 않도록 상기 여기자기장 인가수단(200)에는 감쇄코일부(400);가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 원자자력계를 이용한 초고감도 투자율 검출장치.
삭제
제 1항에 있어서,

상기 셀(110)은 상기 셀(110)의 외부로의 열손실을 차단하는 오븐구조체(112)의 내부에 위치하는 것을 특징으로 하는 원자자력계를 이용한 초고감도 투자율 검출장치.
제 1항에 있어서,

상기 셀(110)의 주변에는,

상기 광원부(120)의 광(122)의 굴절률이 열에 의하여 변화되는 것을 방지하고, 상기 셀(110)의 열손실을 차단하는 진공튜브(114);가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 원자자력계를 이용한 초고감도 투자율 검출장치.
제 1항에 있어서,

상기 검출수단(300)은,

상기 셀(110)에 편광된 입력광(352)을 조사하는 편광 광원부(310);

상기 셀(110)을 투과한 투과광(354)의 편광각을 측정하는 투과광 측정부(320); 및

상기 편광각의 신호에 기초하여 상기 시료의 투자율을 검출하는 투자율 검출부(330);를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자자력계를 이용한 초고감도 투자율 검출장치.
제 1항에 있어서,

상기 바이어스자기장 인가부(130)는 균일한 자기장을 형성할 수 있는 복수개의 코일부로 구성되는 것을 특징으로 하는 원자자력계를 이용한 초고감도 투자율 검출장치.
제 10항에 있어서,

상기 복수개의 코일부는 헬름홀츠 코일인 것을 특징으로 하는 원자자력계를 이용한 초고감도 투자율 검출장치.
제 1항에 있어서,

측정에 필요한 자기장 이외의 기타 주변의 잡음 자기장을 차단하기 위한 자기차폐수단(500);이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 원자자력계를 이용한 초고감도 투자율 검출장치.
제 1항에 있어서,

상기 피측정대상은 자성나노입자 처리된 생체분자 또는 자성체인 것을 특징 으로 하는 원자자력계를 이용한 초고감도 투자율 검출장치.
시료부(1000)에 피측정 대상이 포함된 시료를 채우는 단계(S100);

알칼리 금속원자를 포함한 셀(110)에 광(122)을 입사하여 알칼리 금속원자를 광펌핑하는 단계(S200);

상기 광펌핑된 알칼리 금속원자를 포함한 셀(110)에 바이어스 자기장(Bo)을 인가하는 단계(S300);

상기 시료를 여기시키기 위한 소정의 주파수(f₁,f₂)를 갖는 복수개의 교류자기장(Bs₁,Bs₂)으로 구성된 여기자기장(Bs)을 인가하는 단계(S400); 및

상기 여기자기장(Bs)에 의하여 여기된 시료에 의한 자기장(B)으로 인하여, 자기분극이 변화된 상기 셀(110)의 자기분극 변화로부터 상기 시료의 투자율 변화를 검출하는 단계(S600);를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자자력계를 이용한 초고감도 투자율 검출장치의 이용방법.
제 14항에 있어서,

상기 광펌핑단계(S200)에서,

상기 광(122)은 원편광된 광인 것을 특징으로 하는 원자자력계를 이용한 초고감도 투자율 검출장치의 이용방법.
제 14항에 있어서,

상기 여기자기장 인가단계(S400)와 상기 검출단계(S600) 사이에,

상기 복수개의 교류자기장(Bs₁,Bs₂)의 주파수(f₁,f₂)들의 선형결합된 값(af₁+bf₂)과 원자자력계의 측정주파수(
)를 일치시키기 위하여, 바이어스 자기장(Bo)을 조절하는 단계(S500);가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 원자자력계를 이용한 초고감도 투자율 검출장치의 이용방법.
제 14항에 있어서,

상기 여기자기장 인가단계(S400)에는,

감쇄코일부(400)를 이용하여 상기 셀에 미치는 상기 여기자기장을 상쇄하는 단계(S402);가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 원자자력계를 이용한 초고감도 투자율 검출장치의 이용방법.
제 14항에 있어서,

상기 검출단계(S600)는,

선편광된 입력광(352)을 상기 셀(110)에 조사하는 단계(S602);

상기 셀(110)을 통과한 투과광(354)의 편광각을 측정하는 단계(S604); 및

상기 편광각의 신호에 기초하여 상기 알칼리 금속원자의 자기분극 변화를 검 출하여 상기 시료의 투자율 변화를 검출하는 단계(S606);를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자자력계를 이용한 초고감도 투자율 검출장치의 이용방법.
제 14항에 있어서,

상기 시료의 투자율 변화에 기초하여 생체분자의 농도를 획득하는 단계(S700)가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 원자자력계를 이용한 초고감도 투자율 검출장치의 이용방법.
제 19항에 있어서,

상기 생체분자의 농도 획득단계(S700)는,

상기 검출단계(S600)에서의 상기 시료의 투자율 변화를 상기 시료에 생체분자가 포함되지 아니한 경우의 상기 시료의 투자율로 정규화하여 교정곡선을 얻는 단계(S702); 및

상기 교정곡선에 기초하여 상기 생체분자의 정량적인 농도를 획득하는 단계(S704);를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자자력계를 이용한 초고감도 투자율 검출장치의 이용방법.