KR100355905B1 - 형광 광센서 - Google Patents

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Abstract

피분석물의 존재와 양을 검출하기 위한 형광센서(10)를 개시한다. 이 형광센서(10)는 광검출기(12), 광검출기(12) 근처에 위치하는 고역통과필터(14), 고역통과필터(14) 근처에 위치하는 글라스층(80)을 구비한다. 표지층(18)은 글라스층(80) 근처에 위치하며 광방출 다이오드(20)는 표지층내에 파묻힌다. 표지층은 광방출 다이오드(20)로부터 방출되는 광의 결과로서 형광방출을 제공하는 표지분자들을 가진다. 표지층(18)은 또한 피분석물이 표지층내로 확산하는 것을 허용하며 피분석물의 존재는 글라스층(80)과 고역통과필터(14)를 통과하며 광검출기(12)로 입사하는 표지분자들로부터 방출되는 광량을 감소시킨다. 광검출기(12)로부터의 전류량은 입사광에 의존하기 때문에, 본 발명은 피분석물의 존재와 양을 검출하는데 사용된다. 일 실시예에서는 도파관이 또한 존재한다.

Description

형광 광센서
형광이란 특정한 광파장(여기파장)을 갖는 광자가 표지분자(indicator molecule)와 충돌하고, 그 충돌의 결과로 전자가 고에너지 준위로 여기하면서 일어나는 광화학적 현상이다. 이 여기된 전자가 원래의 기저상태로 붕괴하면, 더 긴 파장(방출파장)을 갖는 다른 광자가 방출된다.
표지분자들은 그 여기파장과 방출파장이 특정한 값을 갖는다. 표지분자로부터의 형광방출은 분석되는 분자의 국소적 존재에 의해 감소되거나 증진될 수 있다. 예를 들면, 특별히 산소 감지를 위한 트리스 루테늄(Ⅱ) 퍼클로레이트[tris(4, 7-diphenyl-1, 10-phenanthroline) ruthenium(Ⅱ) perchlorate] 분자는 그 물질로 460nm(청색)의 파장을 갖는 광을 조사함으로써 여기된다. 분자들의 형광 방출은 620nm(붉은 오렌지 색)에서 즉시 일어난다. 그러나 이 방출은 표지분자와 상호작용을 하는 산소의 국소적 존재에 의하여 억제되며, 형광의 세기가 분위기 산소의 농도에 관련되도록 한다. 따라서, 산소가 많이 존재할수록 방출의 세기가 낮아진다. 그 반대로도 마찬가지이며, 산소가 존재하지 않는다면, 방출광의 형광 세기가 최대가 된다.
형광 분자들을 표지들(indicators)로서 사용하는 이 분석기술들은 고전적으로 형광분광광도계(fluorescence spectrophotometer)들에 사용되어 왔다. 이 계기들은 형광의 세기와 함께 형광의 붕괴시간도 측정할 수 있도록 설계된다. 이 장치들의 가격은 전형적으로 20,000달러에서 50,000달러이며 일반적으로 연구실에서 사용된다.
최첨단 형광센서를 이용하는 두 번째 응용영역은 광섬유 장치들에서이다. 이 검출장치들은 특정한 피분석물들의 원격검출과 소형화를 가능하게 한다. 형광표지분자는 기계적 수단이나 화학적 작용에 의해 광섬유의 일단에 고정된다. 광섬유의 타단에는 화이버 커플러(Y자 모양의 광섬유)나 빔 스플리터(beam splitter)가 부착된다.
입사하는 여기광은 필터와 렌즈에 의해 전형적으로 광섬유의 한 쪽 레그(leg)에 연결된다. 여기광은 광섬유를 통해 형광표지분자가 광섬유의 팁(tip)에 고정된 그 단부로 운반된다. 여기가 일어남에 따라, 표지분자는 형광성 빛을 균일하게 방사하는데, 이 빛중 일부는 광섬유의 팁에 의해 재포획되고 광섬유를 통해 Y자 접합부나 "커플러"쪽으로 되돌아 전파된다. 접합부에서, 형광의 상당한 부분(전형적으로 절반)이 그 방출원으로 되돌아 전달되어 신호검출에 이용될 수 없게 된다. 시스템의 비효율을 상쇄하기 위하여, 레이저들이 입력전력을 증가시킬 목적으로 자주 사용되며 고감도의 광증배관들(photomultiplier tubes)이 검출기들로 사용됨으로써 가격을 수천불로 상승시키게 된다. 형광의 다른 절반은 Y자 접합부의 다른 레그(leg)를 따라 검출기쪽으로 이동하며 기록된다. 이 시스템이 근본적으로 불리한 점은 각 필터 접합부에서 발생하는 손실과 렌즈들과 필터들을 통해서 발생하는 손실들이다. 이 시스템은 감도와 검출영역에 있어서 결과적으로 발생하는 손실 때문에 최대 1-5%의 효율을 갖는다. 이들 장치들은 연구실에서 검증되어 왔으며 매우 최근에는 극히 제한된 적용을 위하여 상업적으로 입수가 가능하다. 이들 장치들은 특정적용에만 제공된다는 점에서 이미 언급한 형광 분광광도계들과 다르다.
전술한 것을 고려할 때, 사용에 관련된 제한성과 가격 비효율을 포함하는 공지의 형광장치들에 일정한 제한이 존재한다는 것은 명백하다. 또한, 이런 종래의 형광장치들은 많은 분리된 부품들때문에 복잡하며 부피가 크다.
본 발명은 종래의 형광장치들과 관련된 이러한 문제점들을 극복하고, 대단히 개선된 효율은 물론 원가와 복잡함을 크게 감소시킨 형광장치를 제공한다. 본 발명은 형광표지분자들을 센서로서 전에는 이용할 수 없었던 감도와 가격으로 이용할 수 있도록 확장시키는 신규한 플랫폼(platform)을 제공한다. 본 발명은 또한 용도를 증가시켰으며 종래의 형광장치들보다 더 신뢰할 수 있는 것은 물론 사용하는 것도 더 쉽다.
본 발명은 형광장치에 관한 것으로서, 더 상세하게는 형광센서에 관한 것이다.
본 발명은 이하에서 다음과 같은 첨부된 도면들을 참조하면서 좀 더 상세히 설명될 것이다.
도 1은 형광센서 발명의 구성부품들과 제조방법을 나타내는 형광센서 발명의 부분 사시분해도이다.
도 2는 도 1에 도시한 형광센서 발명의 평면도이다.
도 3은 도 2의 대체로 선 3-3에 따라 취해진 도 1과 도 2에 도시한 형광센서 발명의 확대단면도이다.
도 4는 형광센서 발명의 제2 실시예의 평면도이다.
도 5는 도 4의 대체로 선 5-5에 따라 취해진 도 4에 도시한 형광센서 발명의 확대단면도이다.
도 6은 지시계와 함께 사용하는 형광센서 발명의 실시예들의 사시도이다.
본 발명은 형광장치들에 관한 것으로서, 더 상세하게는 형광센서들에 관한 것이다.
따라서, 본 발명의 목적은 개선된 형광센서를 제공하는데 있다.
본 발명의 목적은 고효율의 형광센서를 제공하는데 있다.
본 발명의 목적은 개선된 광학적 효율을 가지는 형광센서를 제공하는데 있다.
본 발명의 목적은 감도가 증가된 형광센서를 제공하는데 있다.
본 발명의 목적은 부품의 수가 감소된 형광센서를 제공하는데 있다.
본 발명의 목적은 제조가 용이한 형광센서를 제공하는데 있다.
본 발명의 목적은 제조원가를 크게 감소시킨 형광센서를 제공하는데 있다.
본 발명의 목적은 표준 제조기술들로 제조되는 형광센서를 제공하는데 있다.
본 발명의 목적은 조립이 용이한 형광센서를 제공하는데 있다.
본 발명의 목적은 가격이 저렴한 형광센서를 제공하는데 있다.
본 발명의 목적은 용도가 증가된 형광센서를 제공하는데 있다.
본 발명의 목적은 가혹한 환경들에서 사용될 수 있는 형광센서를 제공하는데 있다.
본 발명의 목적은 열적 공차들(thermal tolerances)을 증가시킨 형광센서를 제공하는데 있다.
본 발명의 목적은 소형화된 형광센서를 제공하는데 있다.
본 발명의 목적은 감소된 체적을 구비하는 형광센서를 제공하는데 있다.
본 발명의 목적은 체적감소와 함께 기능이 증가된 형광센서를 제공하는데 있다.
본 발명의 목적은 증가된 기능밀도(functional density)를 구비하는 형광센서를 제공하는데 있다.
본 발명의 목적은 이용가능한 체적이 제한되는 장소들에서 사용하기에 알맞는 형광센서를 제공하는데 있다.
본 발명의 목적은 다양한 곤란한 상황들에서 사용하기에 알맞는 형광센서를 제공하는데 있다.
본 발명의 목적은 화학적 활성원소내에 파묻힌 에미터(emitter) 원소를 포함하는 형광센서를 제공하는데 있다.
본 발명의 목적은 표지분자가 그 내부에서 이동할 수 없는 중합체(유기물 또는 무기물)내에 파묻힌 에미터 원소를 포함하는 형광센서를 제공하는데 있다.
본 발명의 목적은 그 내부에 에미터가 파묻힌 중합체내에서 또는 이 중합체 위에서 이동할 수 없는 형광성, 발광성, 인광성, 흡수성 또는 굴절성의 다른 표지분자들을 위한 플랫폼(platform)으로서 사용될 수 있는 형광센서를 제공하는데 있다.
본 발명의 목적은 파묻힌 에미터를 구비하여 표지분자를 탐색하는 기술이 직접적인 여기/방출, 순간적인 여기, 또는 표면 플라스몬(plasmon) 공명형 여기 또는 이차 형광분자에 의한 간접적인 여기에 의하는 형광센서를 제공하는데 있다.
본 발명의 목적은 파묻힌 방출원소가 저역 및 고역통과광필터와 함께 통합된 일체식 형광센서를 제공하는데 있다.
본 발명의 목적은 일체식 광검출 원소 또는 다이오드를 구비하는 형광센서를 제공하는데 있다.
본 발명의 목적은 대체로 단일 칩 또는 일체식 패키지상에서 하나의 유니트(unit)로 조립되는 형광센서를 제공하는데 있다.
본 발명의 목적은 모든 광학적 처리가 일체식 구성부품내에 포함되며 전력과 신호 리드선들만이 활성장치 또는 유니트를 출입하는 형광센서를 제공하는데 있다.
본 발명의 목적은 방출원으로부터의 여기방사가 최적의 방사상 방출을 제공하도록 둘러싸인 에미터는 광방출 다이오드(LED) 다이인 형광센서를 제공하는데 있다.
본 발명의 목적은 광방출 다이오드로부터의 여기방사의 주축이 광검출기의 방출의 광검출의 주축에 수직한 형광센서를 제공하는데 있다.
본 발명의 목적은 광섬유의 필요성을 제거하는 형광센서를 제공하는데 있다.
본 발명의 목적은 광원의 전체 방사가 초기에 방출되고 표지층을 통하여 전파되는데, 그 층내에서거나 또는 그 층의 표면으로 이동할 수 없거나 둘중의 어느 하나인 단일구조로 이루어진 형광센서를 제공하는데 있다.
본 발명의 목적은 기체나 액체 상태의 분석에 사용될 수 있는 형광센서를 제공하는데 있다.
본 발명의 목적은 그 신호처리용 전자장비를 구비하거나 또는 원격장치와 일체로 사용될 수 있는 형광센서를 제공하는데 있다.
본 발명의 목적은 맴브레인이나 표지층의 두께가 에미터 다이 주변의 중력이나 압력에 의해 조성된 내용물을 주입함으로써 조절되는 형광센서를 제공하는데 있다.
본 발명의 목적은 표지층의 두께가 방사상으로 방출하는 P/N 접합의 두께에 의해서만 광학적으로 제한을 받는 형광센서를 제공하는데 있다.
본 발명의 목적은 코팅이나 박막으로 이루어진 저역통과필터를 구비하는 형광센서를 제공하는데 있다.
본 발명의 목적은 코팅, 박막 또는 웨이퍼로 이루어진 고역통과필터를 구비하는 형광센서를 제공하는데 있다.
본 발명의 목적은 특정 표지분자가 센서의 표지층내에서 또는 그 층상에서 이동하지 못하도록 하며 신호처리용 전자장치의 기준점을 교정함에 의해 다수의 피분석물에 사용될 수 있는 형광센서를 제공하는데 있다.
본 발명의 목적은 그 신호처리용 전자장치가 위상변조, 수명, 세기 또는 상대적 세기 데이터의 해석방법들을 포함할 수 있는 형광센서를 제공하는데 있다.
본 발명의 목적은 임의의 방출파장과 임의의 검출파장을 가질 수 있는 형광센서를 제공하는데 있다.
본 발명의 목적은 저역 및 고역통과필터들이 선택된 표지분자들에 알맞는 임의의 적당한 배제/용인 프로파일(exclusion/admission profile)의 것일 수 있는 형광센서를 제공하는데 있다.
본 발명의 목적은 센서가 반도체 센서인 형광센서를 제공하는데 있다.
본 발명의 목적은 극단적인 온도, 압력 및 주변조건들을 위해 설계된 형광센서를 제공하는데 있다.
이와 같은 목적들과 기타 다른 목적들이 광검출기, 광검출기 근처에 위치하는 고역통과필터, 고역통과필터 근처에 위치하는 글라스층을 구비하는 본 형광센서 발명으로부터 자명해질 것이다. 또한, 표지층은 글라스층 근처에 위치하며 광방출 다이오드가 표지층내에 파묻힌다. 표지층은 광방출 다이오드로부터 방출되는 광의 결과로서 형광방출을 제공하는 표지분자들을 구비한다. 표지층은 피분석물이 그 층 내부로 확산되도록 하며 피분석물의 존재는 글라스층과 고역통과필터를 통과하며 광검출기로 입사하는 표지분자로부터 방출되는 광량을 변화시킨다. 광검출기로부터의 전류량은 입사광에 의존하기 때문에 본 발명은 피분석물의 존재와 양을 검출하는데 사용될 수 있다. 일 실시예에서 도파관이 또한 존재할 수 있다.
먼저 도 1, 2 및 3을 참조하면, 전체적으로 참조부호 10에 의해 표시되는 형광센서 발명이 도시된다. 센서(10)는 얇고 대체로 편평한 광검출기 또는 웨이퍼(12)를 구비하는 광을 검출하기 위한 광검출기수단과, 얇고 대체로 편평한 고역통과필터층(high pass filter layer)(14)을 가지는 빛을 필터링하기 위한 필터링수단을 구비하는데, 고역통과필터층(14)은 광검출기 웨이퍼(12)와 얇고 대체로 편평한 글라스 웨이퍼(16)를 구비하는 광검출기수단근처에 위치하며 이 광검출기수단에 광학적으로 연결되는 전체적으로 원형인 주변을 갖는다. 글라스 웨이퍼(16)는 고역통과필터층(14)을 구비하는 필터수단 근처에 위치하며 이 필터수단에 광학적으로 연결되는 전체적으로 원형인 주변을 갖는다. 센서(10)는 또한 여기광의 결과로서 형광방출을 제공하는 표지수단과 여기광을 방출하기 위한 광방출수단과 광을 필터링하기 위한 필터링수단을 구비한다. 표지수단은 글라스층(16)근처에 위치하며 이 글라스층(16)에 광학적으로 연결되는 전체적으로 원형인 주변을 갖는 대체로 얇고 편평한 표지맴브레인층(18)을 구비한다. 광방출수단은 표지층(18)의 중앙부내에 위치하는 광방출 다이오드(LED)(20)와 이 광방출 다이오드(20)와 글라스 웨이퍼(16)사이에 위치하는 얇고 전기적으로 도전성인 반사형 금속 디스크(22)를 구비한다. 필터링수단은 광방출 다이오드(20)의 상부를 둘러싸는 저역통과필터코팅(24)을 구비한다. 도 1에 도시한 바와 같이, 표지층(18)은 제자리로 쏟아 부어진다.
센서(10)의 상세한 구조는 도 1은 물론 도 3을 참조함으로써 가장 잘 이해될 수 있다. 도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이, 광검출기층(12)은 양극 포스트(positive post)(26)와 음극 포스트(negative post)(28)에 연결되는데, 이 포스트들의 상단부들(30, 32)은 광검출기층(12)에 전기적으로 연결된다. 리드선(40)은 일단이 양극 포스트(26)의 상단부(30)에 납땜되거나 도전성 접착제로 고정되며 타단은 광검출기층(12)의 윗면(38)에 통상적인 방법으로 고정되거나 부착된다. 유사한방법으로, 리드선(36)은 일단이 납땜이나 도전선 접착제에 의해 음극 포스트(28)의 상단부(32)에 고정되며 타단은 광검출기(12)의 밑면(34)에 통상적인 방법으로 고정되거나 부착된다.
고역통과필터층(14)은 그 하측(42)이 매우 얇은 광학적 접착제층(44)에 의해 광검출기층(12)의 표면(38)이나 상측에 고정되며 고역통과필터층(14)의 윗면(46)은 다른 매우 얇은 광학적 접착제층(50)에 의해 글라스층(glass layer)(16)의 저면(48)에 고정된다. 반사호일(22)은 공지된 적당한 접착제(53)에 의해 글라스층(16)의 윗면(52)에 부착되며 광방출 다이오드(20)는 전기적으로 도전성인 접착제층(54)에 의해 반사호일(22)의 윗면에 부착된다. 저역통과필터코팅(24)은 광 도전성 접착제(56)에 의해 광방출 다이오드(20)의 외측 상부에 고정된다.
전기 리드선들(58, 60)이 광방출 다이오드(20)를 위하여 제공되며 포스트들(62, 64)의 각각의 상단부들(66, 68)에 전기적으로 연결된 도전성 호일 디스크(22)와 광방출 다이오드(20)로부터 각각 연장되는데, 포스트들(62, 64)의 각각의 상단부들(66, 68)은 필터층(14)의 밑면(42)의 외측부보다 아래쪽에 위치한다. 표지맴브레인층(18)은 도 3의 참조부호 71로 나타낸 표지분자들을 포함하며 광방출 다이오드(20)와 저역통과필터코팅(24) 및 리드선들(58, 60)의 일부분들 둘레는 물론 글라스층(16)의 윗면(52)에 주조된다.
또한, 원형 링형상의 기계가공된 금속 하우징(70)이 광검출기층(12), 필터층(14), 글라스층(16) 및 맴브레인층(18)의 외측단부를 둘러싸도록 제공된다. 기계가공된 하우징(70)의 하부는 주조 세라믹이나 포스트들(26, 28, 62, 64)을 또한 제자리에 고정시키는 공지의 다른 매립용 물질(potting material)(72)로 밀봉되거나 폐쇄된다. 따라서, 센서(104)는 모든 작동 구성부품들이 하우징(70)내에 위치하는 단일 구조체로서, 양극과 음극의 신호용 포스트들(26, 28)과 전력 포스트들(62, 64)만이 하우징(70)에 의해 둘러싸이며 하우징(70)내에 포함되는 단일 구조체로부터 연장된다. 도 3에 도시한 바와 같이, 광방출 다이오드(20)와 광검출기(12)는 광방출 다이오드(20)로부터 광방출의 주축 또는 제1축(도 3의 A)이 광검출기(12)의 광검출의 주축 또는 제1축(도 3의 B)에 대체로 수직하도록 위치한다는 것을 주목하는 것이 중요하다. 이것은 형광센서(10)에 있어서는 매우 중요한데, 이렇게 함으로써 효율과 감도를 좋게 하기 때문이다
형광센서 발명의 또 다른 실시예는 도 4 및 도 5에 도시하였으며, 전체적으로 참조부호 74로 표시한다. 센서(74)는 얇은 광검출기층(76)을 구비하는 광을 검출하기 위한 광검출기수단과, 고역통과필터층(78)과 글라스층(80)을 구비하는 광을 필터링하기 위한 필터링수단을 구비하는데, 광검출기층(76)은 이미 기술한 광검출기 웨이퍼 또는 층(12)과 대체로 동일하며 고역통과필터층(78)은 이미 기술한 고역통과필터층(14)과 대체로 동일하고 글라스층(80)은 이미 기술한 글라스층(16)과 대체로 동일하다. 고역통과필터층(78)은 광검출기층 또는 웨이퍼(76)를 구비하는 광검출기수단 근처에 위치하며, 이 광검출기수단에 광학적으로 연결된다. 글라스층(80)은 필터층(78)을 구비하는 필터수단 근처에 위치하며 이 필터수단에 광학적으로 연결된다. 그러나, 센서(74)는 또한 얇고 대체로 편평한 도파관층(82)을 구비하는 도파관으로서의 기능을 하기 위한 도파관수단을 구비하는데, 도파관층(82)의 밑면(84)은 글라스층(80)의 윗면(86) 근처에 위치하며 이 글라스층(80)의 윗면(86)과 광학적 접착제(88)에 의하여 광학적으로 접촉된다. 도파관층(82)의 윗면(90)은 표지층(94)의 밑면(92) 근처에 위치하며 이 표지층(94)의 밑면(92)과 광학적으로 접촉된다. 이 표지멤브레인층(94)은 도 5의 참조부호 95로 표시한 표지분자들을 구비하며 도파관층(82)의 윗면(90)에 주조될 수 있다. 센서(74)는 또한 광방출 다이오드(96)를 구비하는 여기광을 방출하기 위한 광방출수단과, 다이오드(96)의 상부를 둘러싸는 저역통과필터코팅(98)을 구비하는 광을 필터링하기 위한 필터링수단을 구비하는데, 광방출 다이오드(96)는 이미 설명한 다이오드(20)와 유사하며 저역통과필터코팅(98)은 이미 설명한 저역통과필터코팅(24)과 유사하다. 그리고 광방출 다이오드(96)는 그 밑면이 이미 설명한 반사형 금속호일 디스크(22)와 유사한 얇고 전기적으로 도전성인 반사형 금속호일 디스크(100)와 접촉한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 센서(74)는 각각 양극 포스트와 음극 포스트(102, 104)를 구비하는데, 이미 설명한 포스트들(26, 28)과 유사하며 이 포스트들(102, 104)은 각각 광검출기층(76)의 상측(105)과 하측(106)에 각각의 전기 리드선들(107, 109)에 의해 통상적인 방법으로 전기적으로 연결된다. 고역통과필터층(78)은 그 밑면(114)이 이미 설명한 접착제(44)와 유사한 매우 얇은 광학적 접착제층(116)에 의해 광검출기층(76)의 윗면(112)에 고정된다. 고역통과필터층(78)의 윗면(118)은 또한 이미 설명한 접착제(50)와 유사한 얇은 광학적 접착제층(122)에 의해 글라스층(80)의 밑면(120)에 고정된다. 반사형 호일디스크(100)는 공지된 적당한 접착제에 의해 글라스층(80)의 윗면(86)에 연결된다. 그리고 광방출 다이오드(96)는 전기적으로 도전성인 접착제층(124)에 의해 반사형 호일(100)의 윗면에 부착되며 저역통과필터층(98)은 광 도전성 접착제 코팅(미도시)에 의해 다이오드(96)에 고정된다.
광방출 다이오드(96)는 전기 리드선들(128, 130)과 관련되는데, 이 리드선들(128, 130)은 각각 다이오드(96)와 다이오드(96) 아래쪽에 위치하며 다이오드(96)와 전기적으로 접촉하고 있는 금속호일(100)로부터 각각의 포스트들(132, 134)까지 연장된다. 각각의 포스트들(132, 134)은 도 1-도 3에 도시한 실시예의 각각의 포스트들(62, 64) 및 리드선들(58, 60)과 유사한 방법으로 고역통과필터층(78)의 외부 하측보다 아래에 위치한다. 주의깊게 살펴보면 광방출 다이오드(96)와 저역통과필터코팅 또는 층(98)은 글라스층(78)의 중앙부 위쪽에 중심을 맞춰 위치된 저역통과필터코팅(98)과 광방출 다이오드(96) 둘레로 주조되는 도파관층(82)에 의해 둘러싸여 있다는 것을 알게 될 것이다.
또한, 실시예(10)의 금속 하우징(70)과 대체로 동일한 원형 링 형상의 기계가공된 금속 하우징(139)이 광검출기층(74), 필터층(78), 글라스층(80), 도파관층(82) 및 표지층(94)의 외측 단부들을 둘러싸도록 제공된다. 기계가공된 하우징(70)의 하부는 주조 세라믹이나 실시예(10)의 물질(72)과 동일한 공지의 다른 매립용 물질(141)로 밀봉되거나 폐쇄된다. 이 물질(141)은 또한 포스트들(102, 104, 132, 134)을 제자리에 고정한다. 따라서, 센서(74)는 이미 설명한 센서 실시예(10)와 마찬가지로 그 작동 구성부품들이 하우징(139)내에 위치하는 단일 구조체로서, 양극과 음극의 신호용 포스트들(102, 104)과 전력 포스트들(132, 134)만이 하우징(139)에 의해 둘러싸이며 하우징(139)내에 포함되는 단일 구조체로부터 연장된다. 도 5에 도시한 바와 같이, 광방출 다이오드(96)와 광검출기(76)는 광방출 다이오드(96)로부터 광방출의 주축 또는 제1축(도 4의 C)이 광검출기(76)의 광검출의 주축 또는 제1축(도 4의 D)에 대체로 수직하도록 위치한다는 것을 주목하는 것이 중요하다. 이것은 형광센서(74)에 있어서는 매우 중요한데, 이렇게 함으로써 효율과 감도를 좋게 할 수 있기 때문이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 센서(10)의 양극 포스트(26)는 도체(144), 스위치(146) 및 도체(148)를 통해 광세기 지시계(142)의 양극 입력부(140)에 전기적으로 연결된다. 유사한 방법으로, 음극 포스트(28)는 도체(152), 스위치(154) 및 도체(156)를 통해 광세기 지시계(142)의 음극 입력부(150)에 전기적으로 연결된다. 다르게는, 센서(74)는 센서(74)의 양극 포스트(102)를 도체(158), 스위치(146) 및 도체(148)를 통해 광세기 지시계(142)의 양극 입력부(140)에 연결시킴으로써 광세기 지시계(142)에 전기적으로 연결될 수 있다. 유사한 방법으로, 음극 포스트(104)는 도체(160), 스위치(154) 및 도체(156)를 통해 광세기 지시계(142)의 음극 입력부(150)에 연결된다. 이와 같은 배치의 결과로서, 센서(10 또는 74)로부터 나오는 광세기 출력은 스위치(146, 154)를 사용하여 광세기 지시계(142)의 계기(162)에서 판독될 수 있다.
바람직한 실시예들에서, 형광센서 실시예들(10, 74) 모두는 다음과 같은 방법으로 공지의 기술들과 표준 구성부품들들을 사용하여 제조된다. 형광센서 실시예(10)에 대해서는, 유나이티드 디텍터 테크놀로지 오브 호손(United Detector Technology of Hawthorne, California)사로부터 입수할 수 있는 UDT020과 같은 표준 광다이오드 검출기로부터 실리콘 광다이오드(12)의 표면을 노출시키기 위해 외측 하우징이 제거된다. 놀랜드 프로덕츠 오브 뉴 브런스윅(Norland Products of New Brunswick, New Jersey)사에 의해 제조된 것과 같은 광학적 접착제(44)나 또는 다른 유사한 접착제를 다이오드(12)의 윗면(38)에 소량 떨어뜨린다. 얇은 박막형 고역통과칼라필터(14)가 표준 쉬트(sheet)로부터 원형의 디스크 형상으로 절단되어다이오드(12)의 표면(38)에 위치시킴으로써 광학적 접착제(44)에 의해 다이오드(12)의 표면(38)에 부착되는 특정 파장 필터로 활성 다이오드 영역을 덮게 된다. 적당한 박막형 필터(14)가 선택되어 알 앤드 알 라이팅 컴패니, 인코퍼레이티드 오브 실버 스프링(R & R Lighting Company, Inc. of Silver Spring, Maryland)사와 같은 사진 조명기구 공급사로부터 구입할 수 있다. 두 번째 소량의 광학적 접착제(50)(놀랜드 형, Norland type)를 박막형 광필터 디스크(14)의 윗면(46)으로 떨어뜨린다. 광다이오드 검출기(12)의 크기와 칼라 필터(14)의 직경보다 큰 직경을 갖는 원형 글라스 디스크(16)를 광필터 디스크(14)의 윗면(46)에 위치시킨다. 글라스 디스크(16)는 광학적 접착제(50)에 의해 유색 필터 디스크(14)의 윗면에 부착된다.
에폭시 테크놀로지(Epoxy Technology, Billercia, Massachusetts)사에 의해 제조되는 것과 같은 소량의 고온 에폭시를 대략 디스크(16)의 중심(그 위치가 중요한 것은 아니나 중심이 바람직 하다)에서 글라스 디스크(16)의 윗면(52)에 떨어뜨린다. 훨씬 더 작은 (대략 300+ 마이크론) 직경을 갖는 전기적으로 도전성인 금속 디스크(22)가 고온 에폭시(53)에 의해 글라스에 접착된다. 그리고 와이어 리드선(60)(또는 도전성 잉크나 접착제의 라인)이 광다이오드(12)인 광검출기 근처나 또는 그 밑에 접착된 도전성 핀이나 포스트(64)와 금속 디스크(22)사이에서 글라스층 표면(52)위로 놓이게 되는데, 포스트(64)와 중심을 맞춰 놓여진 금속 디스크(22)사이의 전기적인 통전이 가능하도록 한다. 서킷 웍스, 인코퍼레이티드 오브 산타 크루즈(Circuit Works, Inc. of Santa Cruz, California)사와 다른 회사들에 의해 제조된 것과 같은 전기적으로 도전성인 접착제(54)를 소량 금속 디스크(22)의 윗면에 떨어뜨린다. 크리 리서치(Cree Research, Durham, North Carolina)사와 다른 회사들에 의해 제조된 LED 칩 에미터 다이(chip emitter die)(20)를 도전성 접착제(54) 및 연관된 금속 디스크(22)위에 배치시킴으로써, 이미 설명한 포스트(64)와 LED 다이(20)의 캐소드(또는 다르게는 애노드)사이의 전기적인 통로를 형성한다. 미세한 와이어(58)의 두 번째 전기 리드선의 일단을 LED 다이(20)의 윗면(애노드나 캐소드)에 접합시키고 와이어(58)는 LED 다이(20)로부터 광검출기(12)보다 아래쪽에 또는 근접하여 위치하는 두 번째 핀 또는 포스트(62)까지 글라스 디스크(16)의 표면(52)을 가로질러 루트(route)가 정해진다. 이렇게 하면 회로 세그먼트(segment)가 완성되어 전력이 두 포스트들(62, 64)을 가로질러 가해질 수 있기 때문에 글라스 디스크(16)의 윗면에 방사상으로 근접하게 또한 그 표면을 가로질러 광을 방출하도록 LED 다이(20)에 전류를 통하게 할 수 있다.
검출기(12), 필터(14), 글라스층(16), 금속 디스크(22) 및 검출기(20)와 고역통과필터코팅(24)을 구비하는 이 적층구조로 부착된 어레이(array)는 원형 하우징(70)내에서 접합(cement)되는데, 이 하우징(70)은 어레이의 측면을 보호하고 감싸며 글라스 디스크(16)의 주변을 에폭시(Epoxy Technology)로 결합하는 크기로 기계가공됨으로써 주위 환경으로부터 글라스 디스크(16) 밑의 구성부품들과 정면을 밀봉한다. 글라스 층(16)의 윗면(52)과 하우징으로 기계가공된 측벽에 의해 생긴 포켓(pocket)으로 맴브레인 표지 조성물(도 1의 18)을 부어 넣는데, 이 맴브레인 표지 조성물은 글라스층(16)의 표면(52)을 덮으며, LED 다이(20)와 그 리드선들(58,60)을 파묻고 하우징(70)으로 기계가공된 두께와 동일한 수준까지 채울 수 있다. LED(20)는 최소한으로 잠긴다. 맴브레인 표지 혼합물(18)이 조성되기 때문에 액체는 표면을 가로질러 스스로 수평이 되며 중합하고 경화됨으로써. 표지분자들(71)이 이동하지 못하도록 하며 센서(10)의 정면에서 그 외측면으로서 활성 다공성 맴브레인을 형성한다. 맴브레인의 두께는 글라스층(16)의 표면(52)으로 정확한 용적계를 이용하여 분배함으로써 조절될 수 있다.
맴브레인/표지 조성은 서로 다른 피분석물을 위한 특정의 다른 센서들을 안출하기 위하여 교환될 수 있다. 일 실시예에서 맴브레인은 산소를 위한 특정 센서를 안출하기 위하여 다음과 같이 형성되고 응용된다. [다우 코닝(Dow Corning, Midland, Michigan)사로부터 상업적으로 입수가능한 RTV 밀폐제(Sealant)와 같은] 실리코운(silicon) 1㎖에 나프타(Naptha)[이이 짐머만(EE Zimmerman Company, Pittsburgh, Pennsylvania)사] 2㎖를 희석하고 밀봉된 글라스 시험관(체적 13+ cc)내에서 와류를 만들어 섞는다. 클로로포름에 용해된 6mg/㎖의 형광 표지분자 루테니움 복합체를 200㎕ 가한다. 균일해질 때까지 와류를 만들어 썩고 상기 장치에서 상세히 설명된 글라스의 표면으로 이 용액 250㎕를 피펫을 이용하여 떨어뜨린다. 밤새도록 상온에서 경화되도록 하거나 고온에서(60℃를 넘지 않는) 경화시간을 단축시킬 수 있다. 하우징(70)에 의해 형성되는 광검출기(12)의 하측(34) 아래의 밑바닥 공동은 하우징(70)을 밀봉하고 또한 다양한 포스트들(26, 28, 62 및 64)를 제자리에 고정하는 매립용 물질로 채워진다.
본 예는 이제 적당한 전자장비들과 짝지우면 산소 센서로 이용가능하다. 다른 예들은 표지분자(71)의 타입(type)과 맴브레인(18) 형성을 바꾸는 것만이 이미 설명한 것과 다를 수 있다.
도 5에 도시한 바와 같이, 실시예(74)는 도파관 층(82)을 사용하나 비다공성 도파관 층(82)이 실시예(10)의 다공성 맴브레인 대신에 글라스층(80)의 표면(86)으로 주입되는 것을 제외하고는 실시예(10)와 동일한 방법으로 만들어진다. 도파관 층(80)내에는 표지분자가 없다. 표지분자들(95)은 대신에 도파관층(80)의 윗면(90)에 위치한 표지층(94)내에서 이동할 수 없다.
실시예(74)의 한 예로서, 투명한 중합체(유기물 또는 무기물)가 글라스층(80)의 표면(86)으로 주입되고 스스로 수평이 되며 경화하도록 한다. 중합체 도파관은 그 전체적을 통하여 원하는 파장의 빛을 최적으로 전달하도록 적당한 투명도와 굴절율을 위하여 선택된다. 참조부호 95로 표시한 표지분자들을 구비하는 표지분자층(94)은 도파관층(82)의 윗면(86)에 부착되는데, 수많은 공지된 기술들중 하나를 사용하여 표지분자들(95)이 도파관층(82)의 윗면(86)에 고정되도록 함으로써, 장치의 구성을 완료한다. 특별한 피분석물을 위한 센서(10 또는 74)의 특성은 이동할 수 없는 표지분자(71 또는 95)의 선택에 의하여 주어진다. 그리고 도파관(82)의 광학적 성질들이 그 최적의 파장을 수용하기 위하여 선택된다.
본 발명의 센서 실시예들(10, 74)은 다음의 방법으로 사용된다. 센서들(10, 74)은 다른 많은 용용 및 환경에서 사용될 수 있다. 센서들의 피분석물 특성은 상업적으로[시그마(SIGMA) 사와 다른 회사들) 그리고 과학문헌에 기록된 것처럼 많은 입수가능한 곳으로부터 선택된 표지분자(71, 95)에 의해 주어진다.
예를 들면, 센서(10, 74)는 공지되고 상업적으로 구입가능하며 과학문헌에 올려져 있는 것만큼 많은 서로 다른 분자들을 사용하여 산소를 판독할 수 있다. 산소 센서로서 본 장치는 액체나 안정액(slurry), 즉 물, 화학약품, 공정유출물들(process streams), 발효수프들(fermenter broths), 폐기물처리 유출물들(waste trement streams) 등에서 용해된 산소의 농도를 분석하거나 또는 공기와 같은 기체혼합물내에서의 산소의 농도를 분석하거나 연소시 사용되는 산소를 포함하는 다양한 기체 혼합물들내에서의 산소의 농도나 밀폐된 공간들이나 반응기들의 환경적 조건에서의 산소의 농도 혹은 생명유지 시스템내의 산소의 농도를 분석하는데 사용될 수 있다. 많은 예중의 하나에서 이미 설명한 센서들(10 및/또는 74)은 광세기 지시계(142)와 LED(20 또는 96)에 전력을 공급하는 파워 서플라이(미도시)와 같은 광검출기수단으로부터 전기적인 신호를 측정하기 위한 측정수단의 일부분을 형성할 수 있는 광다이오드 검출기로부터 신호 증폭기(미도시)를 구비하는 전자장치에 연결된다. 센서(10 또는 74)를 피분석 환경내에 위치시키면, 산소는 맴브레인 표지층(18 또는 94)으로 확산하여 분자적 수준에서 표지분자들(71 또는 95)과 상호작용을 함으로써 광검출기(12 또는 76)에 의해 검출되거나 보여지는 것처럼 형광의 세기를 감소하게 하는데, 이 때문에 공지의 적당한 측정단위로 산소를 판독할 수 있도록 기준점이 교정된 광검출기수단(12 또는 76)으로부터 전류를 측정하기 위한 측정수단(142)을 형성하는 프로세싱(processing) 전자장치로 전기적인 신호를 감소시킨다.
본 발명이 어떤 바람직한 실시예들에 관하여 상당히 상세하게 설명되었지만, 다양한 변화들과 수정들이 첨부된 청구범위들에서 정의된 것처럼 본 발명의 범위와 정신으로부터 벗어나지 않고 이루어질 수 있다는 것은 이해되고 인식될 것이다.

Claims (19)

  1. 피분석물을 감지하기 위한 형광센서에 있어서,
    입사광에 노출되는 결과로서 전기적인 신호를 발생하는 광검출기수단;
    여기광의 결과로서 형광방출을 제공하는 표지수단; 및
    상기 표지수단 내에 위치하는 적어도 하나의 부분을 구비하는 여기광을 방출하기 위한 광방출 수단을 구비하고,
    상기 표지수단은 그 내부로 상기 피분석물이 확산되는 것을 허용하며 상기 피분석물에 특정한 광방출 표지분자들을 가지는 물질을 구비하여 상기 표지분자들이 상기 피분석물과 상호작용을 하도록 함으로써 상기 표지분자들로부터 방출되는 광으로부터 상기 광검출기수단으로 입사하는 광의 양이 변하도록 하며,
    상기 광검출기수단은 광검출의 주축을 가지고 상기 광방출 수단은 광방출의 주축을 가지며, 상기 광검출기수단과 상기 광방출 수단은 상기 광방출 수단으로부터의 광방출의 주축이 상기 광검출기수단의 광검출의 주축에 대체로 수직하도록 위치하며,
    상기 광검출기수단, 상기 표지수단 및 상기 광방출 수단은 하나의 단일구조체속에 위치하는 것을 특징으로 하는 피분석물을 감지하기 위한 형광센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 표지수단과 상기 광검출기수단 사이에 위치하는 광을 필터링하기 위한 필터링수단을 더 구비하는 형광센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 필터링수단은 일정한 파장 이상 또는 이하의 광을 필터링하는 형광센서.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 필터링수단은 고역통과필터를 구비하는 형광센서.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 광방출 수단의 일부분을 둘러싸는 광을 필터링하기 위한 제2필터링수단을 더 구비하는 형광센서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 광방출 수단은 광방출 다이오드를 구비하는 형광센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 광검출기수단은 전기신호 출력을 구비하고 상기 광검출기수단으로부터 나오는 전기신호 출력을 측정하기 위하여 상기 광검출기수단에 연결된 측정수단을 더 구비하는 형광센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 광검출기수단, 상기 표지수단 및 상기 광방출 수단의 적어도 하나의 부분을 둘러싸는 하우징을 더 구비하는 형광센서.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 표지수단 근처에 위치하는 글라스층을 더 구비하는 형광센서.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 표지는 대체로 편평한 표지 맴브레인을 구비하는 형광센서.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 표지수단의 광방출 표지분자들이 산소와 상호작용을 하는 형광센서.
  12. 피분석물을 감지하기 위한 형광센서에 있어서,
    입사광에 노출되는 결과로서 전기적인 신호를 발생하는 광검출기수단;
    여기광의 결과로서 형광방출을 제공하는 표지수단;
    상기 표지수단 근처에 위치하는 도파관층; 및
    상기 도파관층에 의해 둘러싸이는 적어도 하나의 부분을 구비하는 여기광을 방출하기 위한 광방출 수단을 구비하고,
    상기 표지수단은 그 내부로 상기 피분석물이 확산되는 것을 허용하며 상기 피분석물에 특정한 광방출 표지분자들을 가지는 물질을 구비하여 상기 표지분자들이 상기 피분석물과 상호작용을 하도록 함으로써 상기 표지분자들로부터 방출되는 광으로부터 상기 광검출기수단으로 입사하는 광의 양이 변하도록 하며,
    상기 광검출기수단은 광검출의 주축을 가지고 상기 광방출 수단은 광방출의 주축을 가지며, 상기 광검출기수단과 상기 광방출 수단은 상기 광방출 수단으로부터의 광방출의 주축이 상기 광검출기수단의 광검출의 주축에 대체로 수직하도록 위치하며,
    상기 광검출기수단, 상기 표지수단, 상기 도파관층 및 상기 광방출 수단은 하나의 단일구조체속에 위치하는 것을 특징으로 하는 피분석물을 분석하기 위한 형광센서.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 도파관층과 상기 광검출기수단사이에 위치하는 광을 필터링하기 위한 필터링수단을 더 구비하는 형광센서.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 필터링수단은 고역통과필터를 구비하는 것을 특징으로 하는 형광센서.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 광방출 수단의 일부분을 둘러싸는 광을 필터링하기 위한 제2필터링수단을 더 구비하는 형광센서.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 광방출 수단은 광방출 다이오드를 구비하는 형광센서.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 광검출기수단은 전기신호 출력을 가지고 상기 광검출기수단으로부터 나오는 전기신호 출력을 측정하기 위하여 상기 광검출기수단에 연결된 측정수단을 더 구비하는 형광센서.
  18. 제12항에 있어서,
    상기 광검출기수단, 상기 표지수단 및 상기 도파관층의 적어도 하나의 부분을 둘러싸는 하우징을 더 구비하는 형광센서.
  19. 제12항에 있어서,
    상기 도파관층 근처에 위치하는 글라스층을 더 구비하는 형광센서.
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