KR101317396B1

KR101317396B1 - 피에이치 농도 측정이 가능한 탐침 구조체

Info

Publication number: KR101317396B1
Application number: KR1020110128922A
Authority: KR
Inventors: 김진석; 서준교
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2011-12-05
Filing date: 2011-12-05
Publication date: 2013-10-14
Also published as: KR20130062575A; US20130144143A1

Abstract

본 발명은 pH 농도 측정이 가능한 탐침 구조체에 관한 것으로, 더 상세하게는, 기준 전극을 탐침 구조체에 부가함으로써, 기존의 신경 신호 획득 뿐만 아니라 pH 농도의 측정도 가능한 탐침 구조체에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 pH 농도 측정이 가능한 탐침 구조체는, 피실험체에 삽입되는 탐침부; 상기 탐침부의 말단에 연결되며, 상기 탐침부를 고정하는 고정 몸체; 상기 탐침부의 선단에 배치되어, 상기 피실험체로부터의 신경 신호와 pH 농도를 감지하는 전극 어레이; 상기 탐침부의 선단에서 상기 전극 어레이와 소정 간격 이격되어 배치되며, pH 농도 측정의 기준 신호를 감지하는 기준 전극; 상기 전극 어레이 및 기준 전극과 전기적으로 연결되는 전기 도선; 및 상기 고정 몸체에 집적되며, 상기 전기 도선을 통해 전달되는 측정 신호들을 수집하는 측정 신호 수집 전극을 포함한다.

Description

피에이치 농도 측정이 가능한 탐침 구조체 {PROBE STRUCTURE CAPABLE OF MEASURING pH LEVEL}

본 발명은 pH 농도 측정이 가능한 탐침 구조체에 관한 것으로, 더 상세하게는, 기준 전극을 탐침 구조체에 부가함으로써, 기존의 신경 신호 획득 뿐만 아니라 pH 농도의 측정도 가능한 탐침 구조체에 관한 것이다.

최근에 피실험체의 뇌신경을 자극한 뒤 이에 따른 신호를 감지하고 분석함으로써 뇌질환을 치료하고 뇌의 동작을 규명하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.

피실험체의 뇌신경을 직접 자극하고 그 정보를 수집하기 위해 피실험체에 삽입이 가능한 신경 탐침이 이용되고 있다. 또한, 뇌신경 자극에 따른 정보를 가급적 많이 탐지하기 위해 전극 어레이가 집적된 초소형 신경 탐침이 개발되었다.

종래의 신경 탐침들의 경우에는 뇌신경에 자극을 가하기 위해 탐침부에 집적된 전극을 이용해 뇌신경에 전기적인 자극을 가하는 것이 일반적이다. 이와 같이, 뇌신경에 전기적인 자극을 가하게 되면 뇌신경에 손상을 줄 수 있을 뿐 아니라, 뇌를 구성하고 있는 물질이 전기적으로 도체인 이유로 원하는 부위에 국부적인 자극을 가할 수 없다는 단점이 있다.

따라서, 최근에는 뇌신경에 빛을 이용한 광 자극을 주어 그 신경 신호를 수집하는 방법이 소개되고 있다.

한편, 종래의 신경 탐침들은 뇌신경의 신경 신호를 획득하는 것에 주안점을 두고 있으므로, 신경 신호 획득 외에 다른 기능을 추가할 수 있는 개선의 여지가 있다.

특허문헌 1: 한국등록특허 10-0404783호 (재단법인 포항산업과학연구원) 2003. 10. 28. 요약, 청구항 1, 도면 3 특허문헌 2: 한국등록특허 10-0441664호 (재단법인 포항산업과학연구원) 2004. 07. 15. 요약, 청구항 1, 도면 3

본 발명의 목적은 탐침 구조체에 기준 전극을 부가하는 간단한 구성만으로, 기존의 신경 신호 획득 뿐만 아니라, 피실험체의 pH 농도 변화도 측정할 수 있는 탐침 구조체를 제공하는 것이다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 pH 농도 측정이 가능한 탐침 구조체는, 피실험체에 삽입되는 탐침부; 상기 탐침부의 말단에 연결되며, 상기 탐침부를 고정하는 고정 몸체; 상기 탐침부의 선단에 배치되어, 상기 피실험체로부터의 신경 신호와 pH 농도를 감지하는 전극 어레이; 상기 탐침부의 선단에서 상기 전극 어레이와 소정 간격 이격되어 배치되며, pH 농도 측정의 기준 신호를 감지하는 기준 전극; 상기 전극 어레이 및 기준 전극과 전기적으로 연결되는 전기 도선; 및 상기 고정 몸체에 집적되며, 상기 전기 도선을 통해 전달되는 측정 신호들을 수집하는 측정 신호 수집 전극을 포함한다.

상기 전극 어레이는, 상기 피실험체에 전기적 자극을 가하는 작용 전극과, 상기 피실험체의 신경 신호와 pH 농도 신호를 획득하는 신경 신호 기록 전극을 포함할 수 있다.

상기 pH 농도 측정이 가능한 탐침 구조체는, 상기 탐침부에 광 신호를 전달하는 광 섬유를 더 포함할 수 있다.

상기 탐침부는 광 신호 전달이 가능한 유리로 이루어질 수 있다.

상기 탐침부는 광 신호 전달이 가능한 폴리머로 이루어질 수 있다.

상기 pH 농도 측정이 가능한 탐침 구조체는, 상기 광 섬유와 연결되며, 상기 탐침부의 길이 방향을 따라 탐침부의 표면에 고정 부착되는 광 도파관을 더 포함할 수 있다.

상기 광 도파관을 수용하도록 상기 탐침부에는 길이 방향을 따라 그루브(groove)가 형성될 수 있다.

상기 기준 전극은 전하 용량(charge capacity)의 변화를 최소화하도록 나노기공성(nanoporous) Au 전극으로 이루어질 수 있다.

본 발명의 탐침 구조체는 기준 전극을 부가하는 간단한 구성만으로, 크기와 두께 변화 없이 기존의 신경 신호 획득 뿐만 아니라, 피실험체의 pH 농도 변화도 측정할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 pH 농도 측정이 가능한 탐침 구조체의 사시도이다.
도 2는 도 1의 A 부분에 대한 확대도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 pH 농도 측정이 가능한 탐침 구조체의 사시도이다.
도 4는 도 3의 B 부분에 대한 확대도이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 pH 농도 측정이 가능한 탐침 구조체에 대하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 pH 농도 측정이 가능한 탐침 구조체의 사시도이며, 도 2는 도 1의 A 부분에 대한 확대도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 탐침 구조체(10)는, 탐침부(110), 고정 몸체(120), 전극 어레이(140), 기준 전극(150), 전기 도선(160) 및 측정 신호 수집 전극(170a, 170b)을 포함한다.

탐침부(110)는 쥐와 같은 피실험체의 몸 속으로 삽입되는 부분으로, 그 선단은 피실험체의 몸 속으로 용이하게 삽입될 수 있도록 예리하게 가공된다. 탐침부(110)의 후단부는 고정 몸체(120)에 고정된다.

탐침부(110)에는 피실험체로부터의 신경 신호를 수집할 수 있는 전극 어레이(array)(140)와, 상기 전극 어레이(140)와 전기적으로 연결되는 전기 도선(160)이 집적되어 있다.

전극 어레이(140)는 탐침부(110)의 선단에 배치되어, 상기 피실험체로부터의 신경 신호와 pH 농도 신호를 감지한다. 상기 전극 어레이(140)는 상기 피실험체에 전기적 자극을 가하는 작용 전극(working electrode)과, 상기 작용 전극에 의해 변화된 피실험체의 신경 신호를 획득하는 신경 신호 기록 전극(recording electrode)과 수소 이온 농도 변화에 대한 pH 농도 신호를 획득하는 전극을 포함할 수 있으며, 도 2는 복수의 작용 전극과 복수의 전극들이 형성된 상태를 도시한다. 상기 작용 전극의 형성을 위해 IrO_x가 스퍼터링(sputtering)을 통해 탐침부(110) 상에 증착될 수 있으며, 그 외에 작용 전극 형성을 위한 종래의 모든 기술들이 적용될 수 있다.

기준 전극(150)은 탐침부(110)의 선단에서 상기 전극 어레이(140)와 소정 간격 이격되어 배치되며, pH 농도 측정의 기준 신호를 제공한다. 기준 전극(150)은 신경 신호에 변화가 발생하더라도, pH 농도 측정의 기준 신호를 제공하기 위해, 전하 용량(charge capacity)의 변화가 작은 물질로 구성하는 바람직하다. 따라서, 기준 전극(150)은 피실험체의 수소 이온 농도의 변화에도 전하 레벨이 거의 변하지 않는 pH 농도 측정을 위한 기준 신호를 제공한다. 이를 위해, 기준 전극(150)은, 예를 들어, 나노기공성(nanoporous) Au 전극으로 이루어질 수 있다.

피실험체에 전기적 자극 또는 광자극 신호를 가하기 전의 초기 상태에서, 전극 어레이(140)와 기준 전극(150)에서 측정되는 피실험체의 pH 농도와, 피실험체에 전기적 자극 또는 광자극 신호를 가한 상태에서, 전극 어레이(140)과 기준 전극(150)에서 측정되는 피실험체의 pH 농도를 비교하면, 초기의 피실험체의 pH 농도 뿐만 아니라, 신경 변화 후의 피실험체의 pH 농도도 추출할 수 있다.

전기 도선(160)은 고정 몸체(120)에 집적되어 있는 측정 신호 수집 전극(170a, 170b)과 전기적으로 연결된다. 고정 몸체(120)에 집적된 측정 신호 수집 전극(170a, 170b)은 고정 몸체(120)가 부착되는 인쇄기판회로(PCB)(미도시)의 배선과 전기적으로 연결된다.

상기와 같은 구성에 따르면, 피실험체로부터의 신경 신호가 탐침부(110)의 전극 어레이(140)를 통해 수집되고, 수집된 신경 신호는 전기 도선(160)을 통해 외부로 전달될 수 있다.

측정 신호 수집 전극은 기준 전극(150)에서 감지된 신호가 전달되는 측정 신호 수집 전극(170a)과 전극 어레이(140)에서 감지된 신호가 전달되는 측정 신호 수집 전극(170b)으로 구분될 수 있다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 pH 농도 측정이 가능한 탐침 구조체의 사시도이며, 도 4는 도 3의 B 부분에 대한 확대도이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 탐침 구조체(100)는 전술한 작용 전극에 의한 전기적 자극 외에 빛에 의해 피실험체의 신경을 자극하는 광자극 구조를 추가로 구비한다.

이를 위해, 고정 몸체(120)로 광섬유(130)가 연결되며, 광섬유(130)를 통해 외부의 광자극이 전달될 수 있다. 한편, 광섬유(130)로부터 입력되는 광신호를 탐침부(110)로 전달하기 위해, 탐침부(110)의 표면에 광 도파관(180)이 고정 부착될 수 있다. 또한, 탐침부(110)에는 상기 광 도파관(180)을 수용하도록 상기 탐침부(110)의 길이 방향을 따라 그루브(groove)(112)가 형성될 수도 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 광섬유(130)로부터 입력되는 광신호의 전달을 위해, 광 도파관(180)을 구비하지 않고, 탐침부(110) 자체가 광신호를 전달할 수 있는 물질로 이루어질 수 있다. 구체적으로, 탐침부(110)는 광 전달 물질인 유리로 이루어질 수 있다. 유리는 열에 강한 성질을 가지므로, 높은 파워의 광 신호를 조사하여도 그 형태가 변형되지 않으며 광 손실율이 낮아 탐침부(110)를 통해 광 신호 전달 과정에서 빛이 손실되는 것이 크게 감소할 수 있다.

또한, 탐침부(110)는 광 전달 물질인 폴리머로 이루어질 수도 있으며, 광 전달이 가능한 폴리머로는 PMMA, PS, PPDMS, SU-8, COC 등이 이용될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

또한, 외부로부터의 광신호를 전달하는 광섬유(130) 대신 LED 발광 소자와 같은 광원을 직접 고정 몸체(120)에 고정하여 탐침부(110)로 광 신호를 전달하도록 구성할 수도 있다. 즉, 광 자극 신호를 탐침부(110)에 전달할 수 있다면, 외부 광원의 광 자극 신호를 전달하는 부재뿐 아니라 직접 빛을 발생시키는 광원 자체도 본 발명에 적용될 수 있다.

본 실시예에 따른 탐침 구조체(10, 100)는 피실험체의 신경을 자극하고 그에 따른 신경 신호와 pH 농도 측정 신호를 수집하여 신경 신호 및 pH 농도를 분석할 수 있도록 해준다.

이를 위해, 먼저 탐침부(110)가 피실험체의 뇌 등 피실험부위에 삽입된다. 탐침부(110)를 삽입한 상태에서 작용 전극 또는 광 도파관(180) 등을 이용하여 전기적 자극 신호 또는 광자극 신호를 피실험부위에 가한다.

피실험체의 신경은 가해진 전기적 자극 또는 광자극에 반응하여 신경 신호를 발생하게 되며, 발생된 신경 신호와 변화된 pH 농도는 전극 어레이(140)와 기준 전극(150)에 의해 감지된다. 전극 어레이(140)와 기준 전극(150)에서 감지된 신경 신호 정보 및 pH 농도 측정 정보는 전기 도선(160)을 통해 측정 신호 수집 전극(170a, 170b)으로 전달된다. 이어서, 측정 신호 수집 전극(170a, 170b)에 연결된 PCB 등을 통해 상기 정보들이 외부 컴퓨터로 전송되고, 상기 외부 컴퓨터에서 상기 정보들을 이용하여, 피실험체의 신경 동작 등의 분석과 pH 농도 변화 분석을 수행할 수 있다.

본 발명의 탐침 구조체(10, 100)는 간단한 구조의 박막의 기준 전극(150)을 부가하므로, 크기 및 두께 변화가 발생하지 않으면서, 신경 신호 정보와 동시에 pH 농도 변화 정보도 수집할 수 있는 장점이 있다. 따라서, 신경 신호 측정을 위해 탐침 구조체를 적용하고, pH 농도 측정을 위해 pH 센서를 별도로 적용하는 종래의 방식에 비해, 절차를 간소화하면서도 정밀한 측정 신호를 획득할 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

10, 100: 탐침 구조체
110: 탐침부
112: 그루브
120: 고정 몸체
130: 광섬유
140: 전극 어레이
150: 기준 전극
160: 전기 도선
170a, 170b: 측정 신호 수집 전극
180: 광 도파관

Claims

피실험체에 삽입되는 탐침부;
상기 탐침부의 말단에 연결되며, 상기 탐침부를 고정하는 고정 몸체;
상기 탐침부의 선단에 배치되어, 상기 피실험체가 전기적 자극 또는 광신호에 반응하여 발생시킨 신경 신호와, 수소 이온 농도 변화에 대한 pH 농도 신호를 획득하는 전극들을 구비하는 전극 어레이;
상기 탐침부의 선단에서 상기 전극 어레이와 소정 간격 이격되어 배치되며, 전하 용량의 변화가 작게 구성되어, 피실험체의 수소 이온 농도의 변화에도 전하 레벨이 변하지 않는 pH 농도 측정의 기준 신호를 제공하는 기준 전극;
상기 전극 어레이 및 기준 전극과 전기적으로 연결되는 전기 도선; 및
상기 고정 몸체에 집적되며, 상기 전기 도선을 통해 전달되는 측정 신호들을 수집하는 측정 신호 수집 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는, pH 농도 측정이 가능한 탐침 구조체.
제1항에 있어서, 상기 전극 어레이는, 상기 피실험체에 전기적 자극을 가하는 작용 전극과, 상기 작용 전극에 의해 변화된 피실험체의 신경 신호를 획득하는 신경 신호 기록 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는, pH 농도 측정이 가능한 탐침 구조체.
제1항에 있어서, 상기 탐침부에 광 신호를 전달하는 광 섬유를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, pH 농도 측정이 가능한 탐침 구조체.
제3항에 있어서, 상기 탐침부는 광 신호 전달이 가능한 유리로 이루어지는 것을 특징으로 하는, pH 농도 측정이 가능한 탐침 구조체.
제3항에 있어서, 상기 탐침부는 광 신호 전달이 가능한 폴리머로 이루어지는 것을 특징으로 하는, pH 농도 측정이 가능한 탐침 구조체.
제3항에 있어서, 상기 광 섬유와 연결되며, 상기 탐침부의 길이 방향을 따라 탐침부의 표면에 고정 부착되는 광 도파관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, pH 농도 측정이 가능한 탐침 구조체.
제6항에 있어서, 상기 광 도파관을 수용하도록 상기 탐침부에는 길이 방향을 따라 그루브(groove)가 형성된 것을 특징으로 하는, pH 농도 측정이 가능한 탐침 구조체.
제1항에 있어서, 상기 기준 전극은 전하 용량(charge capacity)의 변화를 최소화하도록 나노기공성(nanoporous) Au 전극으로 이루어지는 것을 특징으로 하는, pH 농도 측정이 가능한 탐침 구조체.