KR101300172B1 - 혈액 분석용 광섬유 센서 장치 - Google Patents

혈액 분석용 광섬유 센서 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 혈액 분석용 광섬유 센서 장치에 관한 것으로서, 메인 광섬유와, 메인 광섬유의 종단에 형성되며 형광염료와 검사대상 혈액 내의 글루탐산, 포도당, 젖산, 콜린 중 적어도 하나와 반응하는 산화효소를 포함하여 형성된 센싱막과, 메인 광섬유를 통해 상기 센싱막으로 광을 출사하는 광원과, 센싱막의 산화효소에 반응하여 생성된 반응광을 검출하는 광검출기와, 광검출기에서 검출된 광으로부터 측정대상 당류에 대한 농도를 산출하는 산출부를 구비한다. 이러한 혈액 분석용 광섬유 센서 장치에 의하면, 구조가 간단하면서도 혈액내의 당류에 대한 농도정보를 용이하게 검출할 수 있는 장점을 제공한다.

Description

혈액 분석용 광섬유 센서 장치{optical sensing apparatus for blood analysis}
본 발명은 혈액 분석용 광섬유 센서 장치에 관한 것으로서, 상세하게는 혈액중에 함유된 당류의 농도를 측정할 수 있는 혈액 분석용 광섬유 센서 장치에 관한 것이다.
환자의 혈액을 채취하여 질병과 관련된 화학 및 생화학적 물질들을 별도의 중앙검사실에서 검사하는 방법이 일반화 되어 있다.
그런데, 종래에는 환자로부터 다량의 혈액을 채취하고, 채취된 혈액에 대해 대규모의 혈액 분석장치를 이용하여 분석이 이루어지고 있다. 이러한 대규모의 혈액 분석장치는 병원 등의 의료기관에 설치되어 있고, 규모가 크고, 또한, 그 조작은 전문의 자격을 갖는 자에 한정되는 것이었다.
한편, 최근에는 혈당수치를 간편하게 휴대용으로 검사할 수 있는 것이 보편화되고 있으나, 대부분 혈액과 반응하는 시약이 함침된 시트형태의 1회용 키트를 이용하고 있어 키트의 재사용이 불가능한 단점이 있고, 검사대상이 혈당수치로만 제한되어 있어 보다 다양한 혈액 정보를 보다 구조가 간단하면서 쉽게 측정이 가능한 장비가 요구되고 있다.
일반적으로 젖산은 무산소성 해당과정의 최종산물로서 무산소 운동시 산소부족으로 생기는 피로물질로서 근육, 내장, 적혈구, 뇌 및 피부 등에서 생산되어 신체활동의 피로정도를 모니터링 하는데 중요한 지표가된다. 또한, 혈액 중 글루탐산의 수치는 뇌경색의 유무를 판단하는 지표로 매우 유용하게 사용되며, 콜린의 경우에는 뇌의 생리적 기능을 판단할 수 있고 지방간이나 담석 등의 질병을 모니터링 하는 중요한 물질이다.
따라서 소량의 시료를 사용하여 빠른 시간 내에 환자로부터 얻어진 시료를 분석할 수 있는 진단기기의 개발은 매우 중요하다. 또한, 빠른 검출과 함께 낮은 분석비용과 중앙집중형이 아닌 분산된 형태의 진단 시스템이 요구되어진다. 이러한 진단시스템은 무엇보다도 질병의 조기진단, 더 나아가서는 진단이 병원 밖에서 가능하면 환자의 집에서 이루어지는 형태의 기기가 필요하다. 결론적으로 위에서 서술한 바와 같이 의료 진단분야에서의 필요성에 의해 가능한 작고, 손쉽게 사용될 수 있는 형태의 첨단화된 고기능 의료용 센서 개발이 매우 중요한 상황이다.
본 발명은 상기와 같은 요구사항을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 광섬유 센서를 이용하여 혈액중에 함유된 당류의 농도를 측정할 수 있는 혈액 분석용 광섬유 센서 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 혈액 분석용 광섬유 센서 장치는 메인 광섬유와; 상기 메인 광섬유의 종단에 형성되며 형광염료와 검사대상 혈액 내의 글루탐산, 포도당, 젖산, 콜린 중 적어도 하나와 반응하는 산화효소를 포함하여 형성된 센싱막과; 상기 메인 광섬유를 통해 상기 센싱막으로 광을 출사하는 광원과; 상기 센싱막의 상기 산화효소에 반응하여 생성된 반응광을 검출하는 광검출기와; 상기 광검출기에서 검출된 광으로부터 측정대상 당류에 대한 농도를 산출하는 산출부;를 구비한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 센싱막은 상기 메인 광섬유의 노출된 코어에 상기 형광염료가 졸-겔 법 또는 실리콘에의해 고형화된 형광막과; 상기 형광막 위에 상기 산화효소가 졸-겔법 또는 실리콘에 의해 고형화된 산화효소막;을 구비한다.
또한, 상기 산화효소가 포도당 산화효소가 적용되는 경우 산도 5.2 내지 5.8이 되게 형성된다.
또한, 상기 산화효소가 젖산 산화효소가 적용되는 경우 산도 6.8 내지 7.2가 되게 형성된다.
본 발명에 따른 혈액 분석용 광섬유 센서 장치에 의하면, 구조가 간단하면서도 혈액내의 당류에 대한 농도정보를 용이하게 검출할 수 있는 장점을 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 혈액 분석용 광섬유 센서 장치를 나타내 보인 도면이고,
도 2는 도 1의 센서막의 또 다른 실시 예를 나타내 보인 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 혈액 분석용 광섬유 센서 장치를 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 혈액 분석용 광섬유 센서 장치를 나타내 보인 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 혈액 분석용 광섬유 센서 장치(10)는 메인 광섬유(12), 센싱막(20), 광원(30), 광검출기(40) 및 산출부(50)를 구비한다.
메인 광섬유(12)는 코어(12a)와, 코어(12a)를 감싸는 클래드(12b)로 되어 있고, 종단(13)에는 클래드(12b)보다 코어(12a)가 더 돌출되어 노출되게 형성되어 후술되는 센싱막(20)이 형성되어 있다.
광써큘레이터(15)는 광원(30)에서 출사되어 입력광섬유(16)를 통해 전송된 광을 메인 광섬유(12)로 전송하고 센싱막(20)을 거친 후 메인 광섬유(12)를 통해 역방향으로 전송되는 광을 출력광섬유(17)를 통해 전송한다.
도시된 예와 다르게 광써큘레이터(15) 대신 광원(30)에서 출사되어 입력광섬유(16)를 통해 전송된 광을 메인 광섬유(12)로 전송하고 센싱막(20)을 거친 후 메인 광섬유(12)를 통해 역방향으로 전송되는 광을 출력광섬유(17)를 통해 전송하는 광커플러가 적용될 수 있음은 물론이다.
센싱막(20)은 메인 광섬유(12)의 종단(13)에 형성되며 형광염료(21a)와 검사대상 혈액 내의 글루탐산, 포도당, 젖산, 콜린 중 적어도 하나와 반응하는 산화효소(22a)를 포함하여 형성되어 있다.
센싱막(20)은 도시된 예에서 메인 광섬유(12) 종단(13)의 노출된 코어(12a)에 형광염료(21a)가 졸-겔 법 또는 실리콘에의해 고형화된 형광막(21)과, 형광막(21) 위에 산화효소(22a)가 졸-겔법 또는 실리콘에 의해 고형화된 산화효소막(22)으로 형성되어 있다.
여기서, 산화효소(22a)가 포도당 산화효소가 적용되는 경우 혈액의 포도당의 농도에 대해 생성되는 반응광이 선형응답특성을 갖도록 산도(PH) 5.2 내지 5.8이 되게 형성된 것을 적용한다.
또한, 산화효소(22a)가 젖산 산화효소가 적용되는 경우 혈액의 포도당의 농도에 대해 생성되는 반응광이선형응답특성을 갖도록 산도 6.8 내지 7.2가 되게 형성된 것을 적용한다.
이와는 다르게, 도 2에 도시된 바와 같이 센싱막(20)은 메인 광섬유(12) 종단(13)의 노출된 코어(12a) 및 클래드(12b)에 형광염료(21a) 및 산화효소(22a)를 함께 졸-겔법 또는 실리콘에 의해 하나의 단일막으로 형성할 수도 있다.
광원(30)은 중심파장이 470nm인 청색광을 출사하는 발광다이오드가 적용되는 것이 바람직하고, 입력광섬유(16) 및 메인 광섬유(12)를 통해 센싱막(20)으로 광을 출사한다.
참조부호 33은 광원(30)에서 출사되는 광에 대해 특정 대역의 파장만을 필터링하여 출력시키는 광학 밴드필터이다.
광검출기(40)는 센싱막(20)의 산화효소(22a)가 혈액과 반응하여 생성된 반응광이 메인광섬유(12) 및 출력광섬유(17)를 통해 전송될 때 이를 검출하여 산출부(50)에 출력한다.
참조부호 43은 출력광섬유(17)를 통해 출력된 광의 광검출기(40)로의 수신율을 높이기 위해 적용된 렌즈이다.
광검출기(40) 580nm의 파장을 검출할 수 있는 실리콘 포토다이오드를 적용하는 것이 바람직하다.
산출부(50)는 광검출기(40)에서 검출된 광으로부터 측정대상 당류에 대한 농도를 산출하고, 산출된 농도를 표시부(52)를 통해 출력한다.
여기서 산출부(50)는 검출된 광에 대응되는 농도값이 미리 실험에 의해 측정되어 기록된 룩업테이블을 이용하여 농도를 산출하도록 구축될 수 있다.
이러한 혈액 분석용 광섬유 센서 장치(10)는 센싱막(20)에 고정화된 포도당 산화효소, 젖산 산화효소, 글루탐산 산화효소 또는 콜린 산화효소 중 어느 하나를 메인 광섬유(12) 말단에 각각 산소분자 검출용 형광염료와 함께 고정화 시킴으로써 기질의 농도에 따라 소모되는 산소분자의 농도를 검출하여 해당 당류에 대한 농도를 산출한다.
이러한 혈액 분석용 광섬유 센서 장치(10)에서 형광염료는 루테니움 복합체(tris (4,7-disphenyl -1,10-phenanthroline) ruthenium(Ⅱ), Rudpp32+)가 적용되는 것이 바람직하다.
또한, 산화 효소로서 포도당을 검출하기 위해서는 포도당 산화효소(Glucose oxidase(GOD))를, 젖산을 검출하기 위해서는 젖산 산화효소(Lactate oxidase(LOD)를, 글루탐산을 검출하기 위해서는 글루탐산 산화효소(Glutamate oxidase)를, 콜린을 검출하기 위해서는 콜린산화효소(Choline oxidase)를 적용하면 된다.
혈액 중 포도당(glucose)은 산화효소인 glucose oxidase(GOD)와 반응하여 글루콘산과 과산화수소를 생성한다. 이 반응에서 혈액 중 산소가 소모되는데, 소모된 산소의 농도를 측정함으로써 포도당의 농도를 분석할 수 있다.
또한, 혈액 중 글루탐산(glutamate)염은 산화효소인 glutamate oxidase와 반응하여 a-ketoglutaric acid, 암모니아 그리고 과산화수소를 생성시킨다. 이 반응에서 혈액 중 산소분자가 소모되는데, 소모된 산소의 농도를 측정함으로써 혈액 중 글루탐산염의 농도를 분석할 수 있다.
혈액 중 콜린(choline)은 산화효소인 choline oxidase와 반응하여 베타인 알데히드(betaine aldehyde)와 물분자를 생성하는 반응에서 산소를 소모한다. 따라서 소모된 산소의 농도를 형광검출 원리에 의해 측정함으로써 혈액 중 콜린의 농도를 검출 할 수 있다.
혈액 중 젖산은 젖산효소가 혈액 중의 젖산과 반응하여 피루브산과 과산화수소를 생성시키며, 이 때 시료중의 산소분자가 소모된다. 즉, 소모된 산소의 농도를 측정함으로써 젖산의 농도를 검출할 수 있다.
한편, 산화효소를 고정화하기 위한 실란류는 메틸트리메톡시실란(MTMS;methyl triethoxy silane)와, 3-글리시독시프로필 트리메톡시실란(GPTMS, 3-glycidoxypropyl trimethoxy silane) 및 3-아미노프로필 트리메톡시실란(APTMS, 3-aminopropyl trimethoxy silane)을 적용할 수 있다.
바람직하게는 산화효소를 고정화하기 위한 실란류는 메틸트리메톡시실란(MTMS)를 적용한다.
< 제조예 >
졸-겔을 형성하기 위해 용매로서 99%에탄올, 산 촉매로는 35% HCl을 사용하였다.
메틸트리메톡시실란 졸-겔 혼합비율은 부피비가 MTMS : 에탄올 : 물 : HCL=7.94ml : 3.68ml : 4.32ml : 0.04ml로 하여 혼합한 후, 실온에서 3시간 동안 교반하여 제조하였다. GPTMS 졸-겔혼합비는 부피비가 GPTMS : 에탄올 : 물 : HCL=1.875ml : 2.708ml : 5.44ml : 0.4ml로 하여 혼합한 후, 실온에서 2시간 동안 교반하여 제조하였다. 그리고, APTMS 졸-겔혼합비는 부피비가 APTMS : 에탄올 : 물 : HCL=1.875ml : 2.708ml : 5.44ml : 0.4ml로 하여 혼합한 후, 실온에서 2시간 동안 교반하여 제조하였다. 그리고, GA(GPTMS+APTMS)의 졸-겔혼합비는 부피비가 GPTMS : APTMS : 에탄올 : 물 : HCL=1.25ml : 0.625ml : 2.708ml : 5.44ml : 0.4ml로 하여 혼합한후, 실온에서 2시간 동안 교반하여 제조하였다.
먼저, MTMS 졸-겔에 루테니움 복합체(Rudpp32+)를 혼합하여 메인 광섬유(12)에 고정화 한 후, GPTMS, APTMS 또는 GA 졸-겔을 각각 코팅하여 건조시킨 후 공유결합에 의해 포도당 산화효소(GOD)를 고정하였다. 또 다르게는 MTMS 졸-겔에 루테니움 복합체(Rudpp32+)와 포도당 산화효소(GOD)를 같이 혼합하여 광섬유 말단에 고정하였다. 여기서 형광염료인 루테니움 복합체(Rudpp32+)는 졸-겔 1ml 당 10mg으로 동일하게 적용하였다. 또한, 고정화에 사용된 산화효소량은 100 내지 2000unit로 하였다.
또한, 직경 2mm의 플라스틱 광섬유의 말단부분의 피복을 30mm 벗겨낸 후 말단을 투명하게 연마하고 연마된 광섬유 말단에 MTMS 졸-겔에 혼합된 루테니움 복합체(Rudpp32+)를 딥(deep) 코팅한 후 실온에서 24시간 동안 건조한 후 루테니움 복합체(Rudpp32+)가 코팅된 막 위헤 GPTMS 졸-겔, APTMS 졸-겔 또는 GA졸-겔을 코팅하여 광섬유 말단에 에폭시 그룹 또는 아미노 그룹이 형성되도록 하였다. 에폭시 또는 아미노 그룹 그리고 에폭시와 아미노 그룹을 동시에 가지는 광섬유 말단에 산화 효소를 공유결합하여 제조하였고, 포도당 산화효소의 고정화 조건은 포도당 산화 효소를 인산 완충용액(0.1M, pH 5.5)에 용해한 효소용액에 광섬유 말단에 담눠 실온 또는 4℃에서 24시간 반응시켰다. 그리고, MTMS 졸-겔을 이용하여 루테니움 복합체(Rudpp32+)와 포도당 산화효소를 함께 혼합하여 제작한 경우에는 MTMS 졸-겔과, 루테니움 복합체(Rudpp32+) 및 포도당 산화효소를 함께 혼합한 후 딥 코팅하여 실온과 4℃에서 24시간 건조하여 제작하였다. 제작된 센서는 인산완충용액(0.1M, pH 7.0)에 넣어 4℃에서 냉장 보관하여 사용하였다.
젖산산화효소, 콜린 산화효소 및 글루탐산 산화효소를 적용하는 경우 인산완충용액(0.1M, pH6.8)의 산도만 다를뿐 나머지 과정은 동일하게 하여 제조하였다.
한편, 산화효소의 활성도가 산화효소의 pH 등에 따라 변화하는지를 파악하기 위해 실험한 결과 MTMS 졸-겔에 형광염료와 포도당 산화효소를 함께 고정화한 경우 0.989선형성과 0.225의 기울기로 가장 높게 나타났다. 즉, 제작되어진 광섬유 포도당센서의 포도당 검출특성을 조사한 결과, GPTMS 졸-겔막 위에 포도당산화효소를 공유결합시킨 광섬유 포도당센서의 경우에는 선형성(R2)이 0.945로 매우 낮은 값을 나타냈으며, GA 졸-겔막을 사용한 경우에는 포도당 농도 0~0.3 g/L까지는 매우 높은 감도를 나타내지만 그 이후의 농도에서는 포도당을 검출할 수 없는 것으로 보였다. 그리고 아미노그룹을 가지는 APTMS 졸-겔에 포도당산화효소를 공유결합시킨 경우에는 선형성이 0.990으로 매우 높게 나타난 반면에 센서의 감도에 해당하는 기울기는 0.078로 낮았다. 한편, MTMS 졸-겔에 형광염료와 포도당산화효소를 함께 포괄하는 방법으로 고정화한 광섬유 포도당센서의 경우에는 0.989의 선형성과 0.225의 기울기로 가장 뛰어남을 보였다.
또한, 포도당 산화효소의 경우 산도 5.2 내지 5.8이 되게 형성하였을 때 선셩성이 가장 뛰어났다.
산화효소로 젓산 산화효소가 적용된 경우 젖산 검출특성을 조사한 결과, GPTMS 졸-겔막 위에 젖산산화효소를 공유결합시킨 경우에는 선형구간이 0~0.6 g/L으로 선형성(R2)이 0.968로 낮은 값을 나타냈다. GA와 아미노그룹을 가지는 APTMS 졸-겔 막을 사용한 경우에는 측정시 효소가 떨어져 나가 측정이 안되는 것을 볼수 있었다. 한편, MTMS 졸-겔에 형광염료와 젖산산화효소를 함께 포괄하는 방법으로 고정화한 광섬유 젖산센서는 선형구간인 0~1 g/L에서 0.996의 선형성과 0.236의 기울기를 보여 센서로 사용하기에 가장 적합함을 보였다.
또한, 젖산 산화효소가 적용되는 경우 산도 6.8 내지 7.2가 되게 형성한 것이 선형응답선이 가장 뛰어났다.
10: 광섬유 센서 장치 12: 메인 광섬유
20: 센싱막 30: 광원
40: 광검출기 50: 산출부

Claims (4)

  1. 삭제
  2. 메인 광섬유와;
    상기 메인 광섬유의 종단에 형성되며 형광염료와 검사대상 혈액 내의 글루탐산, 포도당, 젖산, 콜린 중 적어도 하나와 반응하는 산화효소를 포함하여 형성된 센싱막과;
    상기 메인 광섬유를 통해 상기 센싱막으로 광을 출사하는 광원과;
    상기 센싱막의 상기 산화효소에 반응하여 생성된 반응광을 검출하는 광검출기와;
    상기 광검출기에서 검출된 광으로부터 측정대상 당류에 대한 농도를 산출하는 산출부;를 구비하고,
    상기 센싱막은
    상기 메인 광섬유의 노출된 코어에 상기 형광염료가 졸-겔 법 또는 실리콘에의해 고형화된 형광막과;
    상기 형광막 위에 상기 산화효소가 졸-겔법 또는 실리콘에 의해 고형화된 산화효소막;을 구비하는 것을 특징으로 하는 혈액 분석용 광섬유 센서 장치.
  3. 메인 광섬유와;
    상기 메인 광섬유의 종단에 형성되며 형광염료와 검사대상 혈액 내의 글루탐산, 포도당, 젖산, 콜린 중 적어도 하나와 반응하는 산화효소를 포함하여 형성된 센싱막과;
    상기 메인 광섬유를 통해 상기 센싱막으로 광을 출사하는 광원과;
    상기 센싱막의 상기 산화효소에 반응하여 생성된 반응광을 검출하는 광검출기와;
    상기 광검출기에서 검출된 광으로부터 측정대상 당류에 대한 농도를 산출하는 산출부;를 구비하고,
    상기 산화효소는 포도당 산화효소가 적용되고 산도 5.2 내지 5.8이 되게 형성된 것을 특징으로 하는 혈액 분석용 광섬유 센서 장치.
  4. 메인 광섬유와;
    상기 메인 광섬유의 종단에 형성되며 형광염료와 검사대상 혈액 내의 글루탐산, 포도당, 젖산, 콜린 중 적어도 하나와 반응하는 산화효소를 포함하여 형성된 센싱막과;
    상기 메인 광섬유를 통해 상기 센싱막으로 광을 출사하는 광원과;
    상기 센싱막의 상기 산화효소에 반응하여 생성된 반응광을 검출하는 광검출기와;
    상기 광검출기에서 검출된 광으로부터 측정대상 당류에 대한 농도를 산출하는 산출부;를 구비하고,
    상기 산화효소는 젖산 산화효소가 적용되고 산도 6.8 내지 7.2가 되게 형성된 것을 특징으로 하는 혈액 분석용 광섬유 센서 장치.
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