KR101235846B1 - 자기저항센서를 이용한 비접촉식 검출시스템 및 이를 이용한 검출방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자기저항센서를 이용하여 측면 유동 멤브레인에 축적된 자성입자를 이용하여 검체를 정량적으로 측정하는 진단기기에 관한 것으로, 자성입자와 결합한 검체와 순수자성입자로 구성되는 기준자성밴드를 포함하는 검체고정유닛과 상기 검체고정유닛에 자기장을 인가하여 발생하는 자기신호를 자기저항(MR)센서로 감지하여 자기적 성분으로 분리하여 분석하는 검출기기, 상기 검출기기에서 생성된 순수자성입자에 대한 기준자기신호와 검체에 대한 검출자기신호를 비교하여 측정 기준위치를 설정하는 신호처리부를 포함하는 시스템제어부를 포함하여 구성된다.
본 발명에 따르면, 자기저항센서를 이용하여 측면 유동 멤브레인에 축적된 자성입자를 이용하여 검체를 정량적으로 측정하는 진단기기에서 자기저항센서와 검체와의 검출위치를 정량적으로 일정하게 유지할 수 있도록 하여 측정의 신뢰도를 높일 수 있으며, 특히 접촉식 정량 측정을 가능하도록 하여, 종래의 접촉방식의 충격으로 인한 자기저항센서의 파손 및 손상으로 인한 측정의 신뢰성 문제 및 별도의 세정장치 없이도 측정의 신뢰성을 유지하면서 정량적으로 균일한 측정을 구현할 수 있는 효과도 있다.

Description

자기저항센서를 이용한 비접촉식 검출시스템 및 이를 이용한 검출방법{System for signal detection of specimen using magnetic resistance sensor and Detecting Method of the same}

본 발명은 자기저항센서를 이용하여 자성입자를 정량적으로 측정하는 고감도 검사시스템 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 자기센서 카트리지(magnetic sensor)는 자기장 또는 자력선의 크기와 방향을 측정하는 센서 카트리지로서, 자기장의 영향으로 여러 가지 물질의 성질 등이 변하는 것을 이용하여 자기장을 측정한다. 홀 효과나 자기저항효과 등을 이용하여 홀소자나 MR(Magnetic Resistance) 소자 등을 만들기도 하고, VTR(Video Tape Recorder), 테이프 리코더 등의 제조에도 이용한다. 이러한 자기장의 영향을 받은 물질은 기본적으로 자성입자와 결합된 검출대상체에 자기장을 인가하여 자성의 변화를 검출하는 것을 요지로 한다.

상술한 자성입자는 자철광으로부터 제조되는 것으로, 입자의 표면을 관심의 대상이 되는 생체물질로 코팅하여 결합된 대상물의 존재를 검출하기 위한 태그로서 매우 유망하기 때문에 특히, 생화학 분야에서 오랫동안 연구되고 사용되어 왔다. 그러나 매우 작은 부피의 자성입자로부터 나오는 자기 신호는 극히 작기 때문에 자기 검출기 제조는 어려운 도전과제로 남겨져 있고 다양한 방식으로 연구되고 있는 실정이다.

이와 관련한 장치 및 방법으로는, 초전도 콴텀 인터피어런스 디바이스(Superconducting Quantum Interference Devices: 이하, “SQUID”라고 칭함)에 기초한 방법이 있으나, SQUID의 일반적인 복잡성 및 극저온의 요소들로 인해 현장검사 기기로는 적합하지 않은 방법이다. 더 전통적인 방법으로 힘 자력 계의 몇몇 형태를 포함하는데, 정량적 측정이나 고감도 측정에는 한계가 있다. 이후, 자성 입자의 국지축적을 정량적으로 측정하기 위한 방법으로서, 홀 센서(hall sensor)을 이용하거나 거대 자기저항(Giant Magneto-Resistance: 이하, “GMR”라고 칭함) 센서를 이용하는 방법이 제안되기는 하였으나, 감도의 부정확성이나 측정장비의 구성 면에서 이를 실용화하는 데에는 많은 한계가 있는 실정이다.

도 1은, 본 발명에서 사용되는 자기저항센서의 센싱 원리를 설명한 개념도이다. 다만, 설명의 편의를 위하여, 자기저항 센서 중 거대자기저항(GMR; Giant Magneto Resistance)를 이용한 센싱 원리를 일례로 설명하기로 한다.

이는 스핀 밸브 타입(Spin-valve type) GMR(Giant Magneto Resistance) 디바이스를 보인 것이다. 도시된 바와 같이, 자기저항센서는 두 개의 강자성체 금속층 사이에 비자성 금속층이 끼어 있는 형태로 첫 번째 층의 강자성층 금속층의 자력은 고정되어 있고, 두 번째 층의 강자성체의 자력을 가변적으로 조정하여 첫 번째 층과 자력이 평행할 경우 오직 특정방향으로 스핀이 배향된 전자만이 도체를 통과하는 원리를 이용한다. 즉, 두 강자성층의 자화방향의 정렬에 따라 재료 내부에서 유도되는 전기저항의 차이, 또는 전위차가 발생하고 이것을 디지털 신호로 인식하게 된다. 층간 물질이 도체인 경우가 바로 GMR 디바이스에 해당된다.

자기장이 분포하는 균일한 자기장영역에서 자기저항 센서를 이용하여 자기 물질이 있는 피사체의 정량적인 자력의 세기를 측정하는 방법에는 피사체와 자기저항 센서가 접촉하여 자력의 세기를 측정하는 접촉 방식과 피사체와 일정한 거리를 두어 측정하는 두 가지 방식이 존재한다.

먼저 자기저항센서와 접촉하여 측정하고자하는 시료를 측정하는 방식에서는 자기저항센서와 측정대상물이 접촉이 되어 있는지 정확하게 알 수가 없고 장시간 접촉 시 발생하는 충격으로 자기저항 센서의 파손이 발생할 수 있고, 정량적으로 균일하게 측정하여야 하는데 접촉에 의한 충격으로 자기저항센서가 틀어지는 현상이 빈번하여 이로 인하여 자기저항센서와 검체간의 거리가 발생하게 되므로 측정의 신뢰성 문제가 발생하게 된다. 또한 자기물질이 센서에 잔류하게 되므로 기타의 다른 것으로 이 자기물질을 세정하여야 하는바, 별도의 공정 및 장비를 추가하여야 하는 문제가 발생하게 된다.

또한, 비접촉식의 경우에는 자기저항센서와 이격되어 측정되는 검체와의 측정거리를 균일하게 설정할 수 없어 검출의 신뢰성 및 균일성을 보장할 수 없는 문제가 발생하게 된다.

본 발명은 상술한 과제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 자기저항센서를 이용하여 측면 유동 멤브레인에 축적된 자성입자를 이용하여 검체를 정량적으로 측정하는 진단기기에서 자기저항센서와 검체와의 검출위치를 정량적으로 일정하게 유지할 수 있도록 하여 측정의 신뢰도를 높일 수 있으며, 나아가 비접촉식 정량 측정을 가능하도록 하여, 종래의 접촉방식의 충격으로 인한 자기저항센서의 파손 및 손상으로 인한 측정의 신뢰성 문제 및 별도의 세정장치 없이도 측정의 신뢰성을 유지하면서 정량적으로 균일한 측정을 구현할 수 있는 진단 기기 및 방법을 제공하는 데 있다.

상술한 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명은 자성입자와 결합한 검체와 순수자성입자로 구성되는 기준자성밴드를 포함하는 검체고정유닛; 상기 검체고정유닛에 자기장을 인가하여 발생하는 자기신호를 자기저항(MR)센서로 감지하여 자기적 성분으로 분리하여 분석하는 검출기기; 상기 검출기기에서 생성된 순수자성입자에 대한 기준자기신호와 검체에 대한 검출자기신호를 비교하여 측정 기준위치를 설정하는 신호처리부를 포함하는 시스템제어부;를 포함하는 자기저항센서를 이용한 검출시스템을 제공할 수 있도록 한다.

또한, 상술한 검출시스템은 상기 검출시스템은, 상기 검체고정유닛을 상기 자기저항센서의 검출영역으로 이송하는 이송모듈을 더 포함하여 이루어질 수 있다.

또한, 상술한 검출시스템에서의 상기 시스템제어부는, 상기 검체고정유닛에서 상기 기준자기신호와 비교하여 자기신호의 세기가 급격히 변화하는 지점을 측정 기준위치로 설정하도록 제어하도록 구현할 수 있다.

아울러, 본 발명에 따른 상기 신호처리부는, 상기 자기저항센서에서 입력되는 기준자기신호 또는 측정자기신호를 증폭하는 증폭부; 증폭신호의 아날로그 값을 디지털 값으로 변환하는 AD변환부;를 포함하며, 상기 증폭부와 상기 AD 변환부를 거친 신호를 상기 시스템제어부에 저장하도록 구동되도록 구현할 수 있다.

또한, 상기 신호처리부는, 상기 증폭신호에 포함된 고주파 또는 저주파 노이즈를 제거하는 필터부;를 더 포함하며, 상기 기준자기신호 또는 측정자기신호의 증폭신호를 상기 필터부를 통과한 후 상기 AD 변환부를 거쳐서 상기 시스템제어부에 저장하도록 구동되도록 구현할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 검출시스템에서의 상기 증폭부는, 상기 검출신호를 증폭하기 위한 적어도 1 이상의 증폭부;와 상기 증폭부에서 증폭된 자기신호의 노이즈를 제거하기 위한 적어도 1 이상의 저역통과필터부 또는 고역통과필터부;를 포함하여 구성될 수 있다.

본 발명에 따른 시스템 제어부는 상술한 구성이외에도 상기 기준자기신호 또는 측정자기신호의 피크 값을 검출하는 피크검출부; 상기 피크 값을 분석하는 분석부; 및 상기 분석된 신호 정보를 바탕으로 비교연산을 통해 신호에 대한 산출 값을 도출하는 연산회로부;를 더 포함하는 구조로 구현하는 것도 가능하다.

어느 경우이던, 본 발명에 따른 검출시스템에서의 상기 검출기기는, 자성입자가 결합된 검체의 자기적인 성분을 감지하는 자기저항센서;와 상기 자기저항센서에 외부자기장을 인가하는 외부자기장인가장치; 를 포함하여 이루어질 수 있다.

이 경우 상기 외부자기장인가장치는, 상기 자기저항센서에 수평방향으로 자기장을 인가하는 제1인가유닛; 상기 자기저항센서에 수직방향으로 자기장을 인가하는 제2인가유닛;을 포함하여 구성될 수 있다.

또한, 본 발명의 검출기기에 구비되는 상기 자기저항센서는 거대자기저항(GMR)센서로 구성할 수 있다.

특히, 본 발명에 따른 상기 검체고정유닛은, 항원을 포함하는 바이오물질이 고정된 측정 카트리지 또는 멤브레인으로 구성할 수 있다.

상술한 본 발명에 따른 검출시스템을 이용하여 다음과 같은 단계로 검체를 검출할 수 있다.

구체적으로는 자성입자와 결합한 검체와 순수자성입자로 구성되는 기준자성밴드를 포함하는 검체고정유닛의 순수자성입자의 기준자기신호를 자기저항센서로 측정하는 1단계; 상기 검체에 인가한 자기장에 의해 발생하는 검출자기신호를 자기저항센서로 측정하는 2단계; 시스템제어부에서 상기 기준자기신호와 비교하여 상기 검출자기신호의 세기가 급격히 변동되는 지점을 측정기준위치로 설정하는 3단계;를 포함하는 자기저항센서를 이용한 검출방법으로 구현될 수 있다.

이 경우, 상기 1단계 및 상기 2단계는, 상기 검체고정유닛을 자기장이 인가되는 영역 내에서 이송하는 이송모듈을 통해 상기 자기저항센서로 접근하여 측정하고, 시스템 제어부에 저장하는 단계로 형성할 수 있다.

또한, 상기 1단계 및 상기 2단계의 기준자기신호 또는 검출자기신호는, 상기 자기저항센서에서 측정된 자기신호를 증폭부와 AD변환부를 거쳐서 시스템제어부에 저장하는 단계를 더 포함하여 구성되도록 구현할 수 있다.

상술한 검출 단계에서의 상기 1단계 및 상기 2단계의 기준자기신호 또는 검출자기신호는, 상기 자기저항센서에서 측정된 자기신호를 증폭부와 노이즈를 제거하는 필터부, AD 변환부를 거쳐서 시스템제어부에 저장하는 단계를 더 포함하여 구성될 수도 있다.

또한, 상술한 검출단계의 상기 3단계 이후에, 상기 측정기준위치에서 상기 검체고정유닛을 수평이동하여 스캔하는 방식으로 검체를 검출하는 4단계를 더 포함하여 구성될 수도 있다.

물론, 이 경우 상기 3단계 이후에, 상기 측정기준위치에서 아래 방향으로 일정 부분 이격된 위치에서 상기 검체고정유닛을 수평이동하여 스캔하는 방식으로 검체를 검출하는 4단계를 더 포함하도록 구현하는 것도 가능하다.

어느 경우이던, 상기 측정기준위치는 상기 자기저항센서에 접촉이 되지 않는 범위에서 형성되도록 함이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 자기저항센서를 이용하여 측면 유동 멤브레인에 축적된 자성입자를 이용하여 검체를 정량적으로 측정하는 진단기기에서 자기저항센서와 검체와의 검출위치를 정량적으로 일정하게 유지할 수 있도록 하여 측정의 신뢰도를 높일 수 있는 효과가 있다.

또한, 비접촉식 정량 측정을 가능하도록 하여, 종래의 접촉방식의 충격으로 인한 자기저항센서의 파손 및 손상으로 인한 측정의 신뢰성 문제 및 별도의 세정장치 없이도 측정의 신뢰성을 유지하면서 정량적으로 균일한 측정을 구현할 수 있는 효과도 있다.

아울러, 비접촉식의 거대 자기저항 센서(Giant Magneto Resistance)를 활용하여 검체에 대한 센싱을 통해 효율적인 생체진단을 수행할 수 있다. 이에 POCT(Point of Care Testing)에 사용되는 멤브레인을 검체 진단 키트에 설치하여 효과적인 멤브레인 측정을 위한 측정기구를 개발할 수 있는 효과도 있다.

또한, 자기저항 센서에 Z축 방향에서 직류자기장을 인가하여 초상자성의 자성입자를 포화 자화시키고, Y축 방향으로 자기장을 인가하여 자기저항 센서의 감도 성능이 최대화될 수 있는 장점도 있다.

도 1은, 본 발명에서 사용되는 자기저항센서의 센싱 원리를 설명한 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 자기저항센서를 이용한 검출시스템을 도시한 블럭 개념도이다.
도 3은 본 발명에 따른 신호처리부의 구성의 다른 실시예를 도시한 것이다.
도 4a 및 도 4b는 상술한 본 발명에 따른 검출시스템의 작용을 설명하기 위한 개념도 및 구성블럭을 도시한 것이다.
도 5a 내지 도 5d는 상술한 것처럼, 도 4a에서의 기준위치의 설정과 기준위치에서 아래로 소폭 이동하여 측정위치를 잡는 경우의 데이터의 유효성을 실험한 검증 결과를 도시한 표이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 구성 및 작용을 구체적으로 설명한다. 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성요소는 동일한 참조부여를 부여하고, 이에 대한 중복설명은 생략하기로 한다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

본 발명은 자기저항 센서와 측정하고자 하는 검체 사이에 측정위치에 해당하는 기준 위치를 일정하게 유지하게 하여, 접촉방식의 충격으로 인한 자기저항센서의 파손과 틀어짐으로 인한 측정의 신뢰성 문제 및 별도의 세정장치가 필요 없이 측정의 신뢰성을 유지하면서 정량적으로 균일하게 측정할 수 있는 시스템 및 방법을 제공하는 것을 요지로 한다.

도 1은, 본 발명에서 사용되는 자기저항센서의 센싱 원리를 설명한 개념도이다. 다만, 설명의 편의를 위하여, 자기저항 센서 중 거대자기저항(GMR; Giant Magneto Resistance)를 이용한 센싱 원리를 일례로 설명하기로 한다.

이는 스핀 밸브 타입(Spin-valve type) GMR(Giant Magneto Resistance) 디바이스를 보인 것이다. 도시된 바와 같이, 자기저항센서는 두 개의 강자성체 금속층 사이에 비자성 금속층이 끼어 있는 형태로 첫 번째 층의 강자성층 금속층의 자력은 고정되어 있고, 두 번째 층의 강자성체의 자력을 가변적으로 조정하여 첫 번째 층과 자력이 평행할 경우 오직 특정방향으로 스핀이 배향된 전자만이 도체를 통과하는 원리를 이용한다. 즉, 두 강자성층의 자화방향의 정렬에 따라 재료 내부에서 유도되는 전기저항의 차이, 또는 전위차가 발생하고 이것을 디지털 신호로 인식하게 된다. 층간 물질이 도체인 경우가 바로 GMR 디바이스에 해당된다.

도 2는 본 발명에 따른 자기저항센서를 이용한 검출시스템(이하, '검출시스템'이라한다.)을 도시한 블럭 개념도이다.

본 발명에 따른 검출시스템은 자성입자와 결합한 검체(121)와 순수자성입자로 구성되는 기준자성밴드(122)를 포함하는 검체고정유닛(120)과, 상기 검체고정유닛(120)에 자기장을 인가하여 발생하는 자기신호를 자기저항(MR)센서(130)로 감지하여 자기적 성분으로 분리하여 분석하는 검출기기(100), 그리고 상기 검출기기에서 생성된 순수자성입자에 대한 기준자기신호와 검체에 대한 검출자기신호를 비교하여 측정 기준위치를 설정하는 신호처리부(200)를 포함하는 시스템제어부(300)를 포함하여 구성될 수 있다.

특히, 본 발명에 따른 검체고정유닛(120)은 상기 검출기기(100)의 검출영역 내부로 이동되어 외부자기장을 인가받을 수 있도록 이동모듈(M)에 의해 이동될 수 있는 구조물을 포괄하는 개념으로, 검출하고자 하는 검체(자성입자+바이오물질)와 이격되어 배치되는 기준자성밴드(122)가 구비된 구조물이면 어느 것이던 본 발명의 검체고정유닛에 해당될 수 있으나, 본 발명의 바람직한 일예에서는 측정 카트리지 또는 멤브레인을 이용하는 예를 들어 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 검출기기(100)는 자성입자가 결합된 검체(122)의 자기적 성분을 감지하는 자기저항(MR)센서(130)과 상기 자기저항센서(130)의 제1방향 및 제2방향 외부자기장을 인가하는 외부자기장인가장치(110)를 포함하여 구성된다.

특히, 상기 외부 자기장 인가장치는 자기 저항 센서(130)에 제1 방향인 수평방향으로 자기장을 인가시키는 제1 인가유닛(111)과, 자기 저항 센서(130)에 제2 방향인 수직방향으로 자기장을 인가시키는 제2 인가유닛(112)를 포함한다. 이 기본 구조를 통해 검체(121)를 검체고정유닛(120)에 마운팅(mounting)하고, 외부자기장인가장치(110)에서 외부자기장을 인가하며, 자기저항센서(130)에서 자기적 성분(자성입자)와 결합한 검체에 대한 자기신호를 감지하여 전기적 성분으로 분리하고 분석할 수 있도록 한다. 자성입자는 10~100emu/g의 자화 값을 구비할 수 있다. 이 경우 상기 자성입자는 그 특성이 초상자성(superparamagnetism) 또는 상자성(paramagnetism)을 갖을 수 있다. 이와 같이 검출 기기는 자기 저항 센서에 적어도 하나의 방향으로 자기장을 인가하는 외부 인가 장치(111,112)를 이용함으로써 바이오 물질 내의 자성입자가 받는 자기력의 세기가 수평 방향과 수직 방향의 인가된 자기장의 합의 세기이므로 바이오 물질의 자화력을 높여 감도를 향상시킬 수 있다.

상기 자기저항센서(130)에서 검출되는 자기신호는 증폭부(210)를 거쳐서 증폭되며, 노이즈 제거등의 신호처리를 거쳐서 AD 변환부(220)에 의해 디지털 신호로 변환되어 신호로 저장되게 된다. 이러한 신호처리는 신호처리부(200)에 의해 이루어지며, 이러한 신호처리부는 다양한 구성으로 형성될 수 있다.

일예로 도 2에 도시된 것처럼, 상기 자기저항센서(130)에서 입력되는 자기신호를 증폭하는 증폭부(210)와 증폭신호의 아날로그 값을 디지털 값으로 변환하는 AD변환부(220)를 포함하며, 상기 증폭부와 상기 AD 변환부를 거친 신호를 상기 시스템제어부(300)에 저장하도록 구성할 수 있으며, 이와는 달리 도 3에 도시된 것처럼, 증폭부(210)와 AD 변환부(220)외에 상기 증폭신호에 포함된 고주파 또는 저주파 노이즈를 제거하는 적어도 1 이상의 증폭부에서 증폭된 자기신호의 노이즈를 제거하기 위한 적어도 1 이상의 저역통과필터부 또는 고역통과필터부로 구성되는 필터부(230)나, 자기신호의 피크 값을 검출하는 피크검출부(240), 상기 피크 값을 분석하는 분석부(250), 상기 분석된 신호 정보를 바탕으로 비교연산을 통해 신호에 대한 산출 값을 도출하는 연산회로부(260)을 더 포함하는 구성으로도 구현할 수 있다.

도 4a 및 도 4b는 상술한 본 발명에 따른 검출시스템의 작용을 설명하기 위한 개념도 및 구성블럭을 도시한 것이다.

도 4a는 본 발명에 따른 검출기기와 검체고정유닛의 작용을 설명하기 위한 개념도를 도시한 것이다.

본 검출시스템의 검출방법은, 우선 이송장치(M)에 있는 검체고정유닛(120)을 외부자기장인가장치(111, 112)의 내부의 자기장 인가영역내로 이송하게 된다.

이 경우, 상기 검체고정유닛(120)은 측정카트리지의 상부에 자성입자와 결합한 검체(121)와 순수자성입자로 구성되는 기준자성밴드(122)가 형성된 구조를 구비함이 바람직하다.

우선 초기위치인 '가'의 위치에서 '1'의 방향으로 상기 검체고정유닛(120)을 이송하여 기준자성밴드(122)가 '나'의 위치로 이동하게 되고, '나'의 위치에서 다시 '2'의 방향으로 '다'의 위치로 이동하게 된다. '다'의 위치에 검체고정유닛(120)이 위치하게 되면, 도 2의 증폭부(210)을 증폭된 신호를 자기저항센서로 검출하여, AD변환부(220)에서 현재의 자기신호(기준자기신호)를 인식하게 되고 시스템제어부(300)에서 이 기준자기신호 값을 저장하게 된다.

상기 시스템제어부(300)에서는 상기 기준자기신호 값을 저장한 후, 다시 검체고정유닛(120)을 '다'의 위치에서 '3'의 방향으로 '라'의 위치에 올 때까지 조금씩 증가 시키면. 자기저항센서는 상기 검체고정유닛(120)의 검체(121)의 자기신호 값(검출자기신호)을 감지하게 되고, 이것을 도 2에서의 증폭부(210)에서 증폭된 신호를 AD변환부(220)를 통하여 시스템제어부(300)에서 '다'에서 저장된 값(기준자기신호)과 계속 비교를 하면서 증가 시키면 특정한 점(라)의 위치에 오게 되면 자기신호 값이 급격하게 증가하게 된다. 이 (라)을 기준(측정기준위치)로 하여, 검체고정유닛을 좌우로 스캔하면서 측정을 하게 된다.

물론, 이 경우, 상기 측정기준위치에서의 스캔과정을 하는 경우와는 달리, '4'의 방향으로 '마'의 위치까지 일정 부분 검체고정유닛(120)을 하강 시켜서 검체(121)를 좌우로 Scan하면서 측정할 수도 있다.

도 4b는 도 4a에서의 본 발명에 따른 검출기기와 도 2에서 기술한 검출시스템을 일 실시예로서 도시한 것이다.

동일한 부호는 동일한 구성요소를 나타내며, 검체고정유닛(120)이 검출기기(100)의 내부로 이동하여 상술한 과정에 따라 검체를 검출하게 된다.

이 경우 자기저항센서(130)에서 발생하는 기준자기신호 또는 검출자기신호의 값을 처리하는 신호처리부는 다수의 증폭기(AMP)를 구비하는 증폭부와 다수의 필터(231, 232, 233)를 더 포함하는 구성으로 구현하였으며, 이 경우에도 최초의 증폭기(211)에서 증폭된 기준자기신호 또는 검출자기신호의 값을 바로 ADC 변환부(220)에서 변환하여 시스템제어부(300)에 저장, 비교하는 과정으로 진행될 수도 있으나, 도 4b에 도시된 것처럼 필터부(231,232,233)를 거친 후의 신호를 ADC 변환부(220)에서 변환하여 시스템제어부(300)에 저장, 비교하는 과정으로 진행하는 것도 가능하다.

이하의 표 1은 도 4a 및 도 4b에서의 측정기준위치인 '라'의 위치를 찾는 실제 데이터 값을 나타낸 것이다.

{표 1}

도 4a의 '다'의 위치에서 '3'의 방향으로 이동하면 표 1에서 같이 급격하게 변하는 지점(붉은색 박스영역)이 생기게 된다. 이 점을 '라'의 위치로 정하고, 도 4a의 '마'의 위치를 통계적 검증 툴인 Six sigma검증 툴을 사용하여 '라'의 위치에서 '마'의 위치로 이동하는 거리와 농도에 따라 Data의 신뢰성에 영향을 미치게 된다.

도 5a 내지 도 5d는 상술한 것처럼, 도 4a에서의 기준위치의 설정과 기준위치에서 아래로 소폭 이동하여 측정위치를 잡는 경우의 데이터의 유효성을 실험한 검증 결과를 도시한 표이다.

자성입자의 농도는 0.25%, 이동하는 간격은 150펄스 간격(도 5a), 200펄스 간격(도 5b), 250펄스 간격(도 5c), 300펄스 간격(도 5d)으로 하여 측정하였으며, 데이터의 유효성은 유효성 검증 툴인 Six sigma검증 툴을 사용하여 도 4a의 '라'의 위치에서 '마'의 위치로 이동하는 거리와 농도에 따라 Data의 신뢰성을 검증하였다.

도 5a의 검증결과는 다음의 표 2와 같다.

{표 2-Two-Sample T-Test}

위 표 2의 결과를 통해 보면, 도 4a의 비접촉 방식을 이용하여 농도가 같은 시료를 측정 기준점(라)에서 150펄스의 떨어진 점에서 반복 측정 시 95%의 신뢰구간에서 데이터가 신뢰성이 있음을 확인할 수 있다.

도 5b의 검증결과는 다음의 표 3과 같다.

{표 3-Two-Sample T-Test}

위 표 3의 결과를 통해 보면, 도 4a의 비접촉 방식을 이용하여 농도가 같은 시료를 측정 기준점(라)에서 200펄스의 떨어진 점에서 반복 측정 시 95%의 신뢰구간에서 데이터가 신뢰성이 있음을 확인할 수 있다.

도 5c의 검증결과는 다음의 표 4와 같다.

{표 4}

위 표 4의 결과를 통해 보면, 도 4a의 비접촉 방식을 이용하여 농도가 같은 시료를 측정 기준점(라)에서 250펄스의 떨어진 점에서 반복 측정 시 95%의 신뢰구간에서 데이터가 신뢰성이 있음을 확인할 수 있다.

도 5d의 검증결과는 표 5와 같다.

{표 5}

위 표 5의 결과를 통해 보면, 도 4a의 비접촉 방식을 이용하여 농도가 같은 시료를 측정 기준점(라)에서 300펄스의 떨어진 점에서 반복 측정 시 95%의 신뢰구간에서 데이터가 신뢰성이 있음을 확인할 수 있다.

상술한 방식의 검출방법은 자기물질의 정량적 측정을 위해 자기저항 센서를 이용하는 장치에서, 검체(표적분자)와 결합된 자성입자들의 측면 유동이 가능한 기기에서의 자기물질을 측정 함에 있어 정량적 측정 및 측정의 신뢰성을 향상 시키기 위한 방법으로 검체에 측정하고자 하는 자기물질(자기물질+바이오물질) 외에 측정의 기준이 되는 농도가 일정한(자성물질)물질을 Mounting한 기준자성밴드을 포함한 검체고정유닛을 통해, 기준이 되는 측정기준위치 또는 측정기준위치에서 일정 부분 이격되는 거리로서의 검출의 최적의 측정위치 및 범위 파악할 수 있게 된다.

특히, 이러한 검체고정유닛을 이용한 검출방법은 기기들 간의 측정편차에 따른 측정 신뢰도롤 균일화할 수 있게 되는 장점이 구현되게 되는바, 동종의 다수의 측정기기나, 자기물질을 측정하는 방법 및 원리로 모든 자기물질이 포함된 검체를 측정하는 기기에 적용될 수 있게 된다.

이하에서는, 도 4a에서 도시된 본 발명의 검출기기의 구성을 구체적으로 설명하기로 한다.

도 4a에서의 상기 자기저항센서(130)의 제1방향 및 제2방향 외부자기장을 인가하는 구성으로 구현하되, 제1방향은 수평자기장을 만들어주는 역할을 담당하여 자기저항 센서의 초기위치를 잡아주는 역할과 주변의 노이즈를 차단시켜 센서의 성능을 향상시킬 수 있게 된다.

구체적으로는 제1방향 및 제2방향은 특히 바람직하게는 상기 자기저항센서에 제1방향인 수평방향(Y축)으로 자기장을 인가시키는 제1인가유닛(111), 그리고 상기 자기저항센서에 제2방향인 수직방향(Z축)으로 자기장을 인가시키는 제2인가유닛(112)를 포함함이 바람직하다. 물론 상술한 수평 방향 수직 방향은 상기 자기저항 센서의 입면에 반드시 수직만을 의미하는 것이 아니라, 일정 정도의 입사방향의 유동성을 구비하는 것을 포함하는 개념이다. 또한, 상기 제2인가유닛(112)는 전류를 통해 자기장의 변화를 줄 수 있도록 구현할 수 있도록 함이 바람직하다. 상기 수평방향(Y축) 자기장의 범위 또는 자기저항센서(MR)가 반응가능한 범위는 2~30가우스(Gauss)로 형성하고, 상기 수직방향(Z축)에 인가되는 자기장은 1200 ~ 1800 가우스(Gauss)의 범위에서 형성할 수 있다.

GMR 센서는 센서와 직각 방향(Y축)의 자기장에 대해서만 매우 강한 영향을 받고, 센서와 평행한 방향(X축)에 대해서는 약간의 영향을 받는 반면에 센서와 수직인 방향(Z축)에 대해서는 전혀 영향을 받지 않는 특성을 지닌다. 또한, Y축 방향의 자기장에 대해서는 고유의 선형 구간(linear range) 안에서 편향(biasing) 조절이 가능하다.

따라서, GMR 센서의 최대 성능 구현을 위한 시스템 디자인은 Z축 방향으로 직류 자기장(DC magnetic field)을 인가하여 초상자성의 자성입자를 포화 자화시키고, Y축 방향으로 자기장을 인가하여 센서의 감도 성능이 최대가 되는 편향 조절을 하는 것이 필수적이다. 이때, Y축 방향의 자기장 인가는 직류전류(DC current)를 통해 발생되는 유도 자기장(induced magnetic field)을 사용하는 것이 신호 대 잡음 비 향상에 매우 효과적이다.

아울러, 상기 제1인가유닛(111)은, 자기장발생유닛이 솔레노이드 코일, 헬름홀츠(Helmholtz) 코일, 전자석 요크, 영구자석 중에서 선택되는 어느 하나 또는 복수로 이루어져 고정적인 자기장을 인가하는 구성으로 구현할 수 있으며, 상기 제2인가유닛(112)은, 자기장발생유닛이 솔레노이드 코일, 헬름홀츠(Helmholtz) 코일, 전자석 요크 중에서 선택되는 어느 하나 또는 복수로 이루어질 수 있다.

아울러, 본 발명의 자기저항센서(130)는 정상자기저항(Ortrinary Magnetoresistance, OMR)센서, 이방성 자기저항(Anisotropic Magnetoresistance, AMR)센서, 거대자기저항(giant Magnetoresistance, GMR)센서, 초거대자기저항(Colossal Magnetoresistance, CMR)센서, 터널링자기저항(Tunnelling Magnetoresistance, TMR)센서, MJT (Magnetic Tunneling Junction)센서, 평면홀저항(Planar Hall Resistance)센서 중 선택되는 어느 하나를 이용함이 바람직하다. 특히 바람직하게는 거대자기저항(Giant Magnetoresistance, GMR)센서를 활용할 수 있다.

전술한 바와 같은 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였다. 그러나 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능하다. 본 발명의 기술적 사상은 본 발명의 기술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

110: 외부자기장인가장치
111: 제1인가유닛
112: 제2인가유닛
120: 검체고정유닛
121: 검체(시료)
122: 기준자성밴드
130: 자기저항센서
200: 신호처리부
210: 증폭부
220: AD변환부

Claims (18)

1. 자성입자와 결합한 검체와 순수자성입자로 구성되는 기준자성밴드를 포함하는 검체고정유닛;
   상기 검체고정유닛에 자기장을 인가하여 발생하는 자기신호를 자기저항(MR)센서로 감지하여 자기적 성분으로 분리하여 분석하는 검출기기;
   상기 검출기기에서 생성된 순수자성입자에 대한 기준자기신호와 검체에 대한 검출자기신호를 비교하여 측정 기준위치를 설정하는 신호처리부를 포함하는 시스템제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 자기저항센서를 이용한 검체의 신호 검출시스템.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 검출시스템은,
   상기 검체고정유닛을 상기 자기저항센서의 검출영역으로 이송하는 이송모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 자기저항센서를 이용한 검체의 신호 검출시스템.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 시스템제어부는,
   상기 검체고정유닛에서 상기 기준자기신호와 비교하여 자기신호의 세기가 급격히 변화하는 지점을 측정 기준위치로 설정하도록 제어하는 것을 특징으로 하는, 자기저항센서를 이용한 검체의 신호 검출시스템.
   
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 신호처리부는,
   상기 자기저항센서에서 입력되는 기준자기신호 또는 검출자기신호를 증폭하는 증폭부;
   증폭신호의 아날로그 값을 디지털 값으로 변환하는 AD변환부;를 포함하며,
   상기 증폭부와 상기 AD 변환부를 거친 신호를 상기 시스템제어부에 저장하도록 구동되는 것을 특징으로 하는, 자기저항센서를 이용한 검체의 신호 검출시스템.
   
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 신호처리부는,
   상기 증폭신호에 포함된 고주파 또는 저주파 노이즈를 제거하는 필터부;를 더 포함하며,
   상기 기준자기신호 또는 검출자기신호의 증폭신호를 상기 필터부를 통과한 후 상기 AD 변환부를 거쳐서 상기 시스템제어부에 저장하도록 구동되는 것을 특징으로 하는, 자기저항센서를 이용한 검체의 신호 검출시스템.
   
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 증폭부는,
   상기 검출자기신호를 증폭하기 위한 적어도 1 이상의 증폭부; 와
   상기 증폭부에서 증폭된 자기신호의 노이즈를 제거하기 위한 적어도 1 이상의 저역통과필터부 또는 고역통과필터부;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는, 자기저항센서를 이용한 검체의 신호 검출시스템.
   
7. 청구항 4 또는 5에 있어서,
   상기 시스템제어부는,
   상기 기준자기신호 또는 검출자기신호의 피크 값을 검출하는 피크검출부;
   상기 피크 값을 분석하는 분석부; 및
   상기 분석된 신호 정보를 바탕으로 비교연산을 통해 신호에 대한 산출 값을 도출하는 연산회로부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 자기저항센서를 이용한 검체의 신호 검출시스템.
   
8. 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 검출기기는,
   자성입자가 결합된 검체의 자기적인 성분을 감지하는 자기저항센서; 와
   상기 자기저항센서에 외부자기장을 인가하는 외부자기장인가장치; 를 포함하는 것을 특징으로 하는, 자기저항센서를 이용한 검체의 신호 검출시스템.
   
9. 청구항 8에 있어서,
   상기 외부자기장인가장치는,
   상기 자기저항센서에 수평방향으로 자기장을 인가하는 제1인가유닛;
   상기 자기저항센서에 수직방향으로 자기장을 인가하는 제2인가유닛;
   을 포함하는 것을 특징으로 하는, 자기저항센서를 이용한 검체의 신호 검출시스템.
   
10. 청구항 9에 있어서,
    상기 자기저항센서는 거대자기저항(GMR)센서인 것을 특징으로 하는, 자기저항센서를 이용한 검체의 신호 검출시스템.
    
11. 청구항 10에 있어서,
    상기 검체고정유닛은,
    항원을 포함하는 바이오물질이 고정된 측정 카트리지 또는 멤브레인인 것을 특징으로 하는, 자기저항센서를 이용한 검체의 신호 검출시스템.
    
12. 자성입자와 결합한 검체와 순수자성입자로 구성되는 기준자성밴드를 포함하는 검체고정유닛의 순수자성입자의 기준자기신호를 자기저항센서로 측정하는 1단계;
    상기 검체에 인가한 자기장에 의해 발생하는 검출자기신호를 자기저항센서로 측정하는 2단계;
    시스템제어부에서 상기 기준자기신호와 비교하여 상기 검출자기신호의 세기가 급격히 변동되는 지점을 측정기준위치로 설정하는 3단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는, 자기저항센서를 이용한 검체의 신호 검출 방법.
    
13. 청구항 12에 있어서,
    상기 1단계 및 상기 2단계는,
    상기 검체고정유닛을 자기장이 인가되는 영역 내에서 이송하는 이송모듈을 통해 상기 자기저항센서로 접근하여 측정하고, 시스템 제어부에 저장하는 단계인 것을 특징으로 하는, 자기저항센서를 이용한 검체의 신호 검출 방법.
    
14. 청구항 13에 있어서,
    상기 1단계 및 상기 2단계의 기준자기신호 또는 검출자기신호는,
    상기 자기저항센서에서 측정된 자기신호를 증폭부와 AD변환부를 거쳐서 시스템제어부에 저장하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 자기저항센서를 이용한 검체의 신호 검출 방법.
    
15. 청구항 13에 있어서,
    상기 1단계 및 상기 2단계의 기준자기신호 또는 검출자기신호는,
    상기 자기저항센서에서 측정된 자기신호를 증폭부와 노이즈를 제거하는 필터부, AD 변환부를 거쳐서 시스템제어부에 저장하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 자기저항센서를 이용한 검체의 신호 검출 방법.
    
16. 청구항 12 내지 15 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 3단계이후에,
    상기 측정기준위치에서 상기 검체고정유닛을 수평이동하여 스캔하는 방식으로 검체를 검출하는 4단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 자기저항센서를 이용한 검체의 신호 검출 방법.
    
17. 청구항 12 내지 15 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 3단계 이후에,
    상기 측정기준위치에서 아래 방향으로 일정 부분 이격된 위치에서 상기 검체고정유닛을 수평이동하여 스캔하는 방식으로 검체를 검출하는 4단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 자기저항센서를 이용한 검체의 신호 검출 방법.
    
18. 청구항 12 내지 15 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 측정기준위치는 상기 자기저항센서에 접촉이 되지 않는 범위에서 형성되는 것을 특징으로 하는, 자기저항센서를 이용한 검체의 신호 검출 방법.

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