표면 플라즈몬 공명 (surface plasmon resonance)

  표면 플라즈몬 (surface plasmon)은 금속박막 표면에서 일어나는 전자들의 집단적 진동 (collective charge density oscillation)이며, 이에 의해 발생한 표면 플라즈몬 파는 금속과 유전체의 경계면을 따라 진행하는 표면 전자기파이다. 이러한 현상을 나타내는 금속은 gold, silver, copper, aluminium 등과 같은 외부 자극에 의해 전자의 방출이 쉽고 음의 유전상수를 갖는 금속들이 주로 사용되는데, 그 중에서 가장 예리한 SPR 공명 피크를 보이는 silver와 우수한 표면 안정성을 나타내는 gold 가 보편적으로 이용되고 있다.

  표면 플라즈몬의 여기(excitation)는 외부에서 서로 다른 유전함수를 갖는 두 매질 경계면 즉, 금속과 유전체의 경계면에 전기장을 인가하면 두 매질 경계면에서 전기장 수직성분의 불연속성 때문에 표면전하가 유도되고 이러한 표면전하들의 진동이 표면 플라즈몬 파로 나타난다. 이 표면 플라즈몬 파는 자유공간에서의 전자기파와는 달리 입사면에 평행하게 진동하는 파로서 p-polarization의 편광성분을 가진다. 따라서 광학적인 방법으로 표면 플라즈몬을 여기 시키려면 TM 편광된 전자기파에 의해서만 가능하다.

  TM 편광된 입사파가 금속박막의 경계면에서 전반사되고 소산파 (evanescent field)는 경계면에서 금속박막 속으로 지수 함수적으로 감소되지만 특정한 입사각과 박막의 두께에서는 경계면에 평행한 방향의 입사파와 금속박막과 공기의 경계면을 따라 진행하는 표면 플라즈몬 파의 위상이 일치할 경우 공명이 일어나게 된다. 이 때 입사파의 에너지는 모두 금속박막에 흡수 되어 반사파는 없어지고, 경계면에 수직한 방향의 전기장의 분포는 지수 함수적으로 경계면에서 가장 크고 금속박막 속으로 갈수록 급격히 감소하는 현상이 발생하게 되는데 이를 표면 플라즈몬 공명 ( surface plasmon resonance) 이라고 한다. 그리고 입사한 광의 반사도가 급격하게 감소하는 각도를 표면 플라즈몬 공명각 (surface plasmon resonance angle : Ոsp ) 라고 한다.

위 그림에 표면 플라즈몬 공명이 일어나기 위한 구조를 도식화하여 나타내었다.

  표면 플라즈몬 공명이 일어나는 공명각, 즉 반사광이 최소가 되는 각도는 금속 박막 표면층 유전체 질량이 증가하거나 구조가 변형되면 결과적으로 유효 굴절률(effective refractive index)이 변화하여 공명각이 달라지게 된다. 따라서 이러한 물질의 변화를 광학적인 방법으로 계측할 수 있는 SPR 원리를 이용하면 금속 박막 표면 층의 적절한 화학적 변형을 통해 다양한 생화학 물질들 사이의 선택적 결합이나 분리와 같은 생화학적 반응을 공명각의 변화로 감지할 수 있어 SPR 센서는 고감도 생화학 센서로 활용할 수 있게 된다. 보고 된 논문에 의하면 상용화 된 BIAcore SPR 센서의 경우, 유전층 굴절률이 0.001변할 때 공명각의 변화가 0.10 변하게 되며 이는 단위 mm면적 당 1ng 정도의 질량 변화에 해당하는 것으로 알려져 있다. 그리고 Fresnel 방정식을 이용한 수치적인 해석으로 다층 막 측정 시료의 굴절률과 흡수계수, 두께에 대한 정보도 얻을 수 있다.

  SPR을 이용하여 여러 가지 생체 물질들 간의 상호작용이나 양들을 계측하기 위한 SPR sensor system 은 크게 SPR을 여기시키는 광학부, 측정시료의 고정부, 신호처리부로 나뉠 수 있다. 광학부는 다시 SPR을 여기시키는 데 필요한 광원부, SPR 변환부, 광 검지부로 나뉘며 측정시료의 고정부는 금속막이 증착된 유리기판 (보통 SPR sensor chip으로 알려짐)을 중심으로 프리즘 및 시료 고정부 등으로 구성되어 있고 신호처리부는 측정된 반사도를 실시간으로 측정할 수 있는 회로 및 구동 소프트웨어를 말한다. 특히 SPR 변환부는 프리즘을 중심으로 각도 변환형, 파장 가변형과 같은 여러 가지 측정방식이나 소자의 형태에 따라 달라질 수 있는데 그것은 각기 그 사용목적이나 감지대상에 따라 달라질 수 있다.