KR101727009B1 - 흡광신호 및 형광신호를 이용한 미세입자 측정장치 및 데이터 보정방법 - Google Patents

흡광신호 및 형광신호를 이용한 미세입자 측정장치 및 데이터 보정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 흡광신호 및 형광신호를 이용한 미세입자 측정방법 및 데이터 보정방법에 관한 것으로서, 구체적으로 미세입자를 수용한 셀에 광선을 조사하여 흡광신호 및 형광신호를 동시에 측정하고 이를 이용하여 미세입자의 농도를 정확하고 정밀도 높게 형광신호를 보정할 수 있는 측정장치 및 데이터 보정방법에 관한 것이다.

Description

흡광신호 및 형광신호를 이용한 미세입자 측정장치 및 데이터 보정방법{APPARATUS AND DATA CORRECTION METHOD FOR MEASURING PARTICLES USING ABSORVANCE SIGNAL AND FLURESCENCE SIGNAL}
본 발명은 흡광신호 및 형광신호를 이용한 미세입자 측정방법 및 데이터 보정방법에 관한 것으로서, 구체적으로 미세입자를 수용한 셀에 광선을 조사하여 흡광신호 및 형광신호를 동시에 측정하고 이를 이용하여 미세입자의 농도를 정확하고 정밀도 높게 형광신호를 보정할 수 있는 측정장치 및 데이터 보정방법에 관한 것이다.
분광광도계란, 광원에서 조사된 단색빛을 시료 용액에 투과시켜 그 투과광의 강도를 전기적 신호로 변화하여 시료의 흡광도를 측정하는 장치로서, 입자의 화학적 특성을 측정하는 장치를 의미한다.
통상적으로 미세입자의 측정장치에 사용되며, 최근 의료분야의 수요증가에 따라 측정의 정밀도 및 정확도를 높이는 기술을 요하고 있다. 한국공개 특허공보 제 2013-013310호에서는 살모넬라세균에 나노바이오센서를 결합하고 빛을 조사하여 형광을 측정하는 장치를 개시하고 있다. 이는 살모넬라균을 측정하는 정밀도를 향상시킨 기술이지만, 입자가 자성을 띄는 것을 고려할 때 시간에 따라 정확도가 낮아진다는 한계점이 있다.
또한, 한국등록 특허공보 제1306930호에서는 광의 반사를 이용하여 흡광 및 형광을 동시에 측정하는 분광 광도계를 개시하고 있다. 이는 광 진행경로를 연장시켜 감도를 향상시킨 것으로서 시료의 농도를 측정하는 방식에 대해서는 데이터 보정부의 성능에 의존할 수 밖에 없는 한계점이 있었다.
따라서, 형광신호와 흡광신호를 동시에 측정하고 이를 이용하여 시료의 농도를 정확하고 정밀하게 측정할 수 있는 장치 및 측정 데이터 보정방법에 대한 기술의 필요성이 대두된다.
본 발명의 목적은 흡광신호 및 형광신호를 이용한 미세입자 측정장치 및 측정데이터의 보정방법에 관한 것으로서, 구체적으로 미세입자를 수용한 셀에 광선을 조사하여 흡광신호 및 형광신호를 동시에 측정하고 이를 이용하여 미세입자의 형광신호를 정확하고 정밀도 높게 보정할 수 있는 측정장치 및 데이터 보정방법을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예인 흡광신호 및 형광신호를 이용한 미세입자 측정장치는, 미세입자가 함유된 시료를 수용하는 셀; 셀의 일측면으로 입사광을 조사하는 제1광원; 셀을 기준으로 상기 제1광원의 반대편에 배치되어 투과광을 수집하는 제1측정부; 셀을 향해 상기 입사광의 진행방향과 수직한 방향으로 빛을 조사하는 제2광원; 및 제2광원으로부터 조사하는 빛의 진행방향에 수직하게 배치된 제2측정부;를 포함하고, 제1측정부에서 흡광신호를 측정함과 동시에 제2측정부에서 형광신호를 측정하는 것으로 구성된다.
이 때, 셀은 장축과 단축을 구비하는 직육면체 또는 원기둥형상일 수 있다.
이 때, 장축의 연장선에 있는 셀의 양단부 중 제2광원으로부터 먼 끝단에 반사경이 설치될 수 있다.
이 때, 미세입자는 자성을 띄는 것으로 구성될 수 있다.
이 때, 제1측정부 및 제2측정부와 연결된 데이터 보정부; 및 데이터 보정부와 연결되어 측정결과를 수신받는 출력장치를 더 포함할 수 있다.
이 때, 데이터 보정부는, 시료의 농도(X축)-형광신호(Y축) 그래프를 출력하고, 형광신호를 흡광신호로 나누어 변환형광신호를 산출하고 이를 Y축에 출력할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 흡광신호 및 형광신호를 이용한 데이터 보정방법은, 셀의 내부에 미세입자가 함유된 시료를 내장하는 단계; 제1광원으로부터 상기 셀의 일면으로 빛을 조사하는 단계; 제2광원으로부터 상기 셀의 이면으로 빛을 조사하는 단계; 제1측정부에서 상기 셀을 투과한 빛의 흡광도를 측정하고 흡광신호를 생성하는 단계; 제2측정부에서 셀로부터 방출되는 빛의 형광을 측정하여 형광신호로 변환하는 단계; 및 흡광신호 및 형광신호를 기반으로 변환형광신호를 산출하는 단계;를 포함한다.
이 때, 변환흡광도를 Y축으로, 시료의 농도를 X축으로 하는 그래프를 모니터에 출력하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이 때, 제2광원은 제1광원이 조사하는 빛의 진행방향과 수직한 방향으로 빛을 조사하는 것으로 구성될 수 있다.
이 때, 셀과 제2측정부 사이에 렌즈가 배치된 것으로 구성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 형광신호 및 흡광신호를 동시에 측정하고 이를 이용함으로서 측정된 데이터의 선형성을 증가시킬 수 있다. 따라서, 측정값의 정확성과 정밀성을 모두 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 시료를 내부에 수용한 셀 일단에 반사경을 설치하여, 광의 경로를 연장시킴으로써 형광의 감도를 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 흡광신호 및 형광신호를 이용한 미세입자 측정장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 흡광신호 및 형광신호를 이용한 미세입자 측정방법의 구성도이다.
도 3는 본 발명의 일실시예에 대한 실험데이터이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 흡광신호 및 형광신호를 이용한 미세입자 측정장치의 구성도이다.
도 5은 본 발명의 다른 실시예에 대한 실험데이터이다.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능, 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 흡광신호 및 형광신호를 이용한 미세입자 측정장치의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 흡광신호 및 형광신호를 일용한 미세입자 측정장치는 시료가 수용된 셀(10), 셀(10)의 일측면에서 빛을 조사하는 제1광원(20), 제1광원(20)으로부터 조사된 빛을 수신하도록 셀(10) 반대편에 배치된 제1측정부(30), 제1광원(20)의 빛방향과 수직한 방향에서 빛을 조사하는 제2광원(40), 제2광원(40)으로부터 조사된 빛을 수신하도록 진행방향과 수직한 셀(10)의 측면부에 배치된 제2측정부(50)로 구성된다.
이 때, 제2측정부(50)와 셀(10)의 측면부 사이에는 형광을 수집하는 렌즈(60)가 설치될 수 있다. 렌즈(60)는 제2광원(40)으로부터 조사된 빛이 시료의 형광물질에 흡수되고, 다시 방출된 빛이 제2측정부(50)에 효과적으로 집광하여 도달하도록 한다.
제1광원(20) 및 제2광원(40)은 LED로 구성되어 단일한 빛을 방출한다. 셀(10)은 장축과 단축을 가지는 즉, 일축이 타축보다 긴 직육면체이거나 원기둥형상이다. 설명의 편의상 셀(10)은 세로축이 가로축보다 긴 직육면체 형상의 셀임을 가정하여 설명한다.
셀(10)의 내부는 시료를 수용할 수 있는 공간이 구비되어 있다. 제1광원(20)은 셀(10)의 세로축을 마주하는 측에 배치되며, 셀(10)을 기준으로 제1광원(20)과 대향되는 측에 제1측정부(30)를 배치한다. 제1측정부(30)는 제1광원(20)으로부터 조사된 빛이 시료를 투과한 뒤 수집되는 장치로, 최종적으로 빛의 투과도를 측정하기 위한 장치이다.
셀(10)의 장축인 세로축의 연장선상에 제2광원(40)이 배치된다. 제2광원(40)은 셀(10)의 세로축방향으로 빛을 조사한다. 장축으로 빛이 입사되는 구조는 단축으로 빛이 입사되는 구조보다 시료를 통과하는 길이가 길어, 방출하는 형광의 세기가 상대적으로 크다. 따라서, 측정의 감도를 증가시킬 수 있다.
제1광원(20)이 조사하는 빛의 진행방향, 제2광원(40)이 조사하는 빛의 진행방향 모두와 수직한 측에 형광신호를 측정하는 제2측정부(50)가 배치된다.
제1측정부(30)와 제2측정부(50)는 데이터 보정부(70)와 전기적으로 연결되어 있다. 제1측정부(30)는 검출한 흡광신호를 데이터 보정부(70)에 전송하고 제2측정부(50)에서 검출한 형광신호도 데이터 보정부(70)로 전송하며, 데이터 보정부(70)는 이를 이용하여 변환형광신호를 생성한다. 데이터 보정부(70)는 모니터, 프린터 등과 같은 출력장치(80)에 연결되어 시료의 농도- 변환형광신호 그래프 결과값을 출력한다. 또한, 데이터 보정부(70)는 기타 다른 장비와 전기적으로 연결되어 변환된 형광신호를 전송할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 흡광신호 및 형광신호를 이용한 미세입자 측정방법의 구성도이다.
우선, 셀(10)의 내부로 시료를 내장한다(S10). 시료는 측정하려는 입자가 용해된 용액으로, 자석입자나 기타 미세입자이며 빛이 조사되면 들뜬상태와 바닥상태간 에너지 차이로 빛을 방출하는 즉, 형광성을 가지는 입자이다. 이는 표적물질에 형광성의 표시물질을 결합하는 입자를 포함한다. 셀(10)은 일축이 타축보다 긴 직육면체 또는 원기둥형상이 적절하다.
단계(S10) 이후, 제1광원(20)과 제2광원(40)으로부터 셀(10)로 빛을 조사한다(S20). 제1광원(20)은 단축을 투과하도록 배치되며, 제2광원(40)은 장축을 투과하도록 배치된다.
단계(S20) 이후, 셀(10)로부터 투과된 빛을 제1측정부(30)에서 수집하고(S30a), 셀(10)로부터 방출하는 형광빛을 제2측정부(50)에서 수집한다(S30b). 제1측정부(30)는 셀(10)을 기준으로 제1광원(20)의 반대측에 배치된다. 제2측정부(50)는 제1광원(20)의 빛 조사방향과 제2광원(40)의 빛 조사방향 모두와 수직한 축에 배치된다. 이 때, 형광을 용이하게 집광하기 위해 셀(10)과 제2측정부(50) 사이에 렌즈(60)가 배치될 수 있다.
빛의 흡광도(A)는 시료를 통과한 입사광의 분율로서, 최초 나온 빛의 복사세기와 투과후 빛의 복사세기간 로그비율이며, 하기의 [수학식 1]과 같이 산출될 수 있다. 여기서, Po는 시료 통과전 빛의 복사세기이고, P는 시료 투과 후 빛의 복사세기이며, T는 시료를 통과한 입사광의 분율로 정의된다. 흡광도(A)를 이용하여 흡광신호를 생성하고, 이를 데이터화한다.
Figure 112014063173357-pat00001
단계(S30a, S30b) 이후, 측정된 형광신호(B)와 산출된 흡광도(A)를 기반으로 변환형광신호(C)를 산출한다(S40). 형광신호(B)는 형광입자의 카운트된 수와 비례하며, 변환형광신호(C)의 구체적인 산출방식은 하기의 [수학식 2]와 같다.
Figure 112014063173357-pat00002
단계(S40) 이후, 시료의 농도에 따른 산출된 변환형광신호(C)를 나타낸 그래프 결과를 출력한다(S50). 이 때 출력되는 장치는 모니터와 같은 시각장치를 비롯하여 기타 결과를 나타낼 수 있는 출력장치를 모두 포함한다. 또한, 출력장치가 아닌 기타 다른 연산장치에 추가 연결되어 변환형광신호(C)를 연산자로 이용할 수 있다.
종래의 측정방식은, 단순히 형광신호를 기준으로 시료의 농도와 대비하는 방식이었으나 이와 같이 측정된 형광신호(B)에 산출된 흡광도(A)를 나눈 변환형광신호(C)를 이용하는 경우 측정값의 선형성이 상대적으로 증가하게 된다.
도 3은 본 발명의 실시예에 대한 실험데이터이다. 구체적으로, 도 3(a)는 종래의 측정데이터로 흡광도(A)를 고려하지 않은 측정데이터이고, 도 3(b)는 측정된 형광신호(B)를 흡광도(A)의 비율로 나누어 보정한 측정데이터이다. 즉, Y축은 변환형광신호(C)이다.
제1광원은 UV LED를 사용하였으며, 제2광원은 파장 473nm를 발하는 장치를 사용하였다. X축은 시료 형광물질의 농도(단위 ppb)이고, Y축은 카운트된 형광입자수이다. 형광신호는 카운트된 형광입자에 비례한다. 측정된 형광입자수를 1차 선형보간하여 얻은 직선데이터를 표기하였다. 각 데이터와 선형보간된 직선간 격차가 클수록 분산이 작아진다. 다시말해, 분산이 높을수록 직선에 근접하게 데이터가 측정된 것이며, 이는 데이터의 선형성이 높은 것으로 정확도와 정밀성이 높다는 것을 의미한다.
이는 입자의 농도가 증가할수록 흡광도(A)가 증가하게 되고, 동시에 형광신호(B) 역시 증가하게 되어 그 오차가 커지게 된다. 따라서, 도 3(b)에서도 알 수 있듯이, 형광신호(B)를 흡광도(A)로 나눈 변환형광신호(C)에 대한 실험데이터는 종래의 방식보다 선형성이 증가하게 됨을 알 수 있다. 구체적으로, 종래의 측정방식에 의한 데이터결과는 분산이 약 0.85인 반면, 본 발명의 보정방식에 의한 데이터결과는 분산이 약0.99로서, 선형성이 향상됨을 가시적으로 알 수 있다. 이는 측정치의 정확성과 정밀성을 동시에 향상시키는 측정방식이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 흡광도 및 형광신호를 이용한 미세입자 측정장치의 구성도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 흡광도 및 형광신호를 이용한 미세입자 측정장치의 다른 실시예는, 시료가 수용된 셀(11), 셀(11)의 일측면에서 빛을 조사하는 제1광원(21), 제1광원(21)으로부터 조사된 빛을 수신하도록 셀(11) 반대편에 배치된 제1측정부(31), 제1광원(21)의 빛방향과 수직한 방향에서 빛을 조사하는 제2광원(41), 제2광원(41)으로부터 조사된 빛을 수신하도록 진행방향과 수직한 셀(11)의 측면부에 배치된 제2측정부(51)로 구성되고, 특히 셀(11)을 기준으로 제2광원(41)과 대향하는 입사면의 반대편에 반사경(91)이 설치된다.
이 때, 셀(11)은 장축과 단축을 가지는 직육면체 또는 원기둥일 수 있으며, 반사경(91)은 셀(11)의 장축선상에 있는 끝단부에 조립설치됨이 바람직하다. 또한, 셀(11)과 제2측정부(51) 사이에는 렌즈(61)가 설치될 수 있다.
제1측정부(31)와 제2측정부(51)는 데이터 보정부(51)와 연결되어 있으며, 데이터 보정부(51)는 기타 출력장치(81)와 연결될 수 있다. 작동원리는 상기한 실시예와 동일하므로 생략한다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 대한 실험데이터이다. X축은 형광성을 가지는 표시물질(예:실리카) 나노입자수이고, Y축은 측정된 형광신호의 세기이다. 즉, 입자수가 5×(2.1×109)개수 일 때, 반사경이 없는 비교예는 약 1.0×106개의 형광입자가 카운트되는 반면, 반사경이 있는 실시예는 약 2.0×106개의 형광입자수가 카운트되었다.
형광신호는 빛이 통과하는 시료의 농도와 통과된 길이에 비례하게 되며, 이와 같이 셀(11)의 일단에 반사경을 설치하는 경우 측정되는 형광의 감도를 향상시킬 수 있다.
도 5를 참조하면, 비교예는 반사경이 설치되지 않은 셀에 빛을 조사하여 형광신호를 측정한 것이고, 실시예는 반사경이 설치된 셀에 빛을 조사하여 형광신호를 측정한 것이다. 도 5에서도 알 수 있듯이, 반사경을 설치하는 경우가 같은 형광 입자수 대비 측정되는 형광신호 세기가 크므로, 실시예와 같은 구조는 측정 감도를 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.
본 발명은 다양하게 변형될 수 있고 여러 가지 형태를 취할 수 있으며 상기 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
10, 11: 셀 20, 21: 제1광원
30, 31: 제1측정부 40, 41: 제2광원
50, 51: 제2측정부 60, 61: 렌즈
70, 71: 데이터 보정부 80, 81: 출력장치
91: 반사경

Claims (10)

  1. 미세입자가 함유된 시료를 수용하는 셀;
    상기 셀의 일측면으로 입사광을 조사하는 제1광원;
    상기 셀을 기준으로 상기 제1광원의 반대편에 배치되어 투과광을 수집하는 제1측정부;
    상기 셀을 향해 상기 입사광의 진행방향과 수직한 방향으로 빛을 조사하는 제2광원; 및
    상기 제2광원으로부터 조사하는 빛의 진행방향에 수직하게 배치된 제2측정부;를 포함하고,
    상기 제1측정부에서 흡광신호를 측정함과 동시에 상기 제2측정부에서 형광신호를 측정하는 것을 특징으로 하고,
    상기 제2측정부에서 측정된 형광신호를 상기 제1측정부에서 동시에 측정된 흡광신호로 나눈 값인 변환형광신호를 산출하는 데이터 보정부; 및
    상기 시료의 농도에 따른 상기 데이터 보정부에서 산출된 변환형광신호 값을 출력하는 출력장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 흡광신호 및 형광신호를 이용한 미세입자 측정장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 셀은 장축과 단축을 구비하는 직육면체 또는 원기둥형상인 것을 특징으로 하는 흡광신호 및 형광신호를 이용한 미세입자 측정장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 장축의 연장선에 있는 상기 셀의 양단부 중 상기 제2광원으로부터 먼 끝단에 반사경이 설치된 것을 특징으로 하는 흡광신호 및 형광신호를 이용한 미세입자 측정장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 미세입자는 자성을 띄는 것을 특징으로 하는 흡광신호 및 형광신호를 이용한 미세입자 측정장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 셀의 내부에 미세입자가 함유된 시료를 내장하는 단계;
    제1광원으로부터 상기 셀의 일면으로 빛을 조사하는 단계;
    제2광원으로부터 상기 셀의 이면으로 빛을 조사하는 단계;
    제1측정부에서 상기 셀을 투과한 빛의 흡광도를 측정하고 흡광신호를 생성하는 단계;
    제2측정부에서 상기 셀로부터 방출되는 빛의 형광을 측정하여 형광신호로 변환하는 단계;
    상기 제2측정부에서 측정된 형광신호를 상기 제1측정부에서 동시에 측정된 흡광신호로 나눈 값인 변환형광신호를 산출하는 단계; 및
    상기 시료의 농도에 따른 상기 변환형광신호 값을 출력하는 출력장치를 포함하는 흡광신호 및 형광신호를 이용한 데이터 보정방법.
  8. 삭제
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 제2광원은 상기 제1광원이 조사하는 빛의 진행방향과 수직한 방향으로 빛을 조사하는 것을 특징으로 하는 흡광신호 및 형광신호를 이용한 데이터 보정방법.
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 셀과 상기 제2측정부 사이에 렌즈가 배치된 것을 특징으로 하는 흡광신호 및 형광신호를 이용한 데이터 보정방법.
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