KR102016393B1 - 검체의 농도 측정 방법 및 장치 - Google Patents

검체의 농도 측정 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 검체의 농도 측정 방법 및 장치에 관한 것으로, 제어부가 전극부를 통해 시료에 직류신호를 인가하여 제1특성을 측정하는 단계, 제어부가 전극부를 통해 상기 시료에 직류신호를 인가하여 제2특성을 측정하는 단계 및 상기 제어부가 측정된 제1특성 및 제2특성에 기초하여 시료 내의 검체의 농도 또는 성분을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

검체의 농도 측정 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS OF MEASURING CONCENTRATION OF SAMPLE}
본 발명은 검체의 농도 측정 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 시료 내에 존재하는 분석물질의 농도를 측정할 수 있도록 하는 검체의 특성 측정 방법 및 장치에 관한 것이다.
생체시료 내에 존재하는 분석물질(검체)을 정량 또는 정성으로 분석하는 것은 임상학적으로 매우 중요하다. 각종 성인병의 요인이 되는 콜레스테롤을 측정하거나, 당뇨병 환자를 위해 혈액 내의 혈당을 측정하는 것 등이 그 대표적인 예이다.
예를 들어, 혈당 측정의 경우, 병원에서 수행되는 혈당 측정뿐만 아니라, 당뇨병 환자가 스스로 혈당을 측정하고 주기적으로 점검할 수 있도록 하는 간이 혈당 측정 또한 많이 활용되고 있기에, 다양한 측정 방식이 사용되고 있다.
이러한 다양한 혈당 측정 방식 중 전기화학적 방식이 널리 사용되고 있으며, 이는 전기화학적 방식이 타 방식 대비 비교적 정확하고, 신속한 결과 산출을 가능하게 하면서도, 경제적인 측정 방식 중 하나이기 때문이다.
다만 전기화학적 방식을 이용한 혈당 측정의 경우, 혈액 내의 적혈구 용적률에 따라 측정되는 값에 변동이 발생하므로, 측정의 신뢰도가 저하된다는 문제점이 존재한다.
따라서 전기화학적 센서에서 글루코스 농도를 정확하게 측정하기 위해, 시료의 전기화학반응에 따른 결과를 측정하는 전극과 별도로, 적혈구 용적률을 측정하기 위한 전극을 구비하여 적혈구 용적률을 따로 측정하고, 이 결과를 이용하여 전기화학반응에 따라 얻어진 글루코스 농도를 보정하는 방법이 사용되고 있다.
이러한 글루코스 농도 보정 방식에서는 적혈구 용적률을 측정하기 위한 전극에 AC 신호(교류전압)를 인가하여 분석물질의 임피던스(위상 및 크기)를 검출하고, 이를 바탕으로 글루코스 농도를 보정하는 것이 일반적이다.
한편 본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허 10-2014-0084439호(2014.07.07.)에 개시되어 있다.
본 발명은 AC 신호를 이용하지 않고, DC 신호만을 이용하여 검체의 농도를 측정할 수 있도록 하는 검체의 농도 측정 방법 및 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 검체의 농도 측정 방법은 제어부가 전극부를 통해 시료에 직류신호를 인가하여 제1특성을 측정하는 단계; 상기 제어부가 상기 전극부를 통해 상기 시료에 직류신호를 인가하여 제2특성을 측정하는 단계; 및 상기 제어부가 상기 측정된 제1특성 및 제2특성에 기초하여 상기 시료 내의 검체의 농도 또는 성분을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 제1특성은 상기 검체의 커패시턴스 특성을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 제1특성은 상기 검체의 저항 또는 전류 특성을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 제1특성을 측정하는 단계에서, 상기 제어부는 설정시간동안 직류신호를 인가한 이후의 방전 신호를 측정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 제1특성을 측정하는 단계에서, 상기 제어부는 상기 방전 신호의 크기 및 변화율을 측정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 제1특성을 측정하는 단계에서, 상기 제어부는 램프(ramp), 구형파 또는 임펄스 파형의 신호를 인가하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 제1특성을 측정하는 단계에서, 상기 제어부는 설정시간동안 직류신호를 인가하면서 충전 특성을 측정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 제어부는 글루코스(glucose) 농도를 산출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 제2특성을 측정하는 단계에서, 상기 제어부는 글루코스 효소반응에 따른 응답전류를 측정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 검체의 농도 측정 장치는 유입된 시료에 직류신호를 인가하기 위한 전극부; 및 상기 전극부를 통해 상기 시료에 직류신호를 인가하여 커패시턴스 특성을 측정하고, 상기 전극부를 통해 상기 시료에 직류신호를 인가하여 글루코스 효소반응에 따른 응답전류를 측정하며, 측정된 상기 커패시턴스 특성 및 상기 응답전류에 기초하여 상기 시료의 글루코스(glucose) 농도를 산출하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 제어부는, 상기 커패시턴스 특성 측정 시, 설정시간동안 직류신호를 인가한 이후의 방전 신호를 측정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 검체의 농도 측정 방법 및 장치는 DC 신호만을 이용하여 검체의 특성 즉, 커패시턴스 특성을 측정하고, 이를 통해 검체의 농도를 정확하게 측정할 수 있도록 함으로써, AC 신호를 인가하기 위한 별도의 전극이나 전원부의 구성을 부가하지 않을 수 있도록 하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 검체의 농도 측정 장치의 구성을 나타낸 블록구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 검체의 농도 측정 장치에서 커패시턴스 특성 측정을 위해 인가하는 전압의 일예를 나타낸 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 검체의 농도 측정 장치에서 커패시턴스 특성을 측정하는 것을 설명하기 위한 예시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 검체의 농도 측정 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 검체의 농도 측정 방법 및 장치의 일 실시예를 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 검체의 농도 측정 장치의 구성을 나타낸 블록구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 검체의 농도 측정 장치에서 커패시턴스 특성 측정을 위해 인가하는 전압의 일예를 나타낸 예시도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 검체의 농도 측정 장치에서 커패시턴스 특성을 측정하는 것을 설명하기 위한 예시도로서, 이를 참조하여 본 실시예에 다른 검체의 농도 측정 장치를 설명하면 다음과 같다.
도 1에 도시된 것과 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 검체의 농도 측정 장치는 제어부(100) 및 전극부(200)를 포함한다.
전극부(200)는 유입된 시료에 직류신호(예: 직류전압)를 인가하여 시료에 관한 제1특성 및 제2특성을 측정할 수 있다. 여기서 제1특성은 검체의 커패시턴스 특성과 검체의 저항 특성 또는 전류 특성을 포함할 수 있으며, 제2특성은 전류일 수 있다.
예를 들어, 본 발명의 일 실시예에 따른 검체의 농도 측정 장치가 혈당 측정 장치로서 활용될 경우, 제2특성은 GDH, GOX 등의 글루코스 효소반응에 따른 응답전류일 수 있다.
이러한 경우 시료에 관한 제2특성은 제1특성과 달리 반응물질과의 반응을 통해 측정되는 것이므로, 본 실시예에 따른 검체의 농도 측정 장치는 제1특성의 측정 이후, 반응물질을 투입하여 제2특성을 측정하도록 구성될 수 있다.
또한 제1특성의 보다 정밀한 측정을 위해 전극부(200)는 제1특성을 위한 전극과 제2특성을 위한 전극을 별도로 구비하는 형태일 수도 있으며, 이렇게 별도의 전극을 사용하더라도 해당 전극을 통해 교류전압을 인가하는 것이 아니라 직류전압을 인가하는 것이므로, 종래기술 대비 교류전압을 인가하기 위한 구성을 생략할 수 있다.
이러한 전극부의 구성을 구체적인 예로서, 설명하면 다음과 같다.
먼저 기판에 전극부(200)가 형성된다. 기판은 절연성물질, 예를 들어 PET, PVC 또는 폴리카보네이트를 포함하며, 두께가 대략 100 ~ 300㎛으로 형성됨으로써, 절연성능, 강성 등을 확보하는 동시에 장치의 부피, 중량 등을 줄일 수 있다.
전극부(200)는 적어도 한 쌍의 전극을 포함할 수 있으며, 이러한 전극쌍은 일단이 마주보게 형성될 수 있다. 제1특성을 위한 전극과 제2특성을 위한 전극을 별도로 구비하는 형태일 경우 전극부(200)는 2개의 전극쌍이 포함될 수 있다.
본 실시예에서 전극은 카본 잉크 등을 스크린 인쇄하는 방식으로 기판에 형성될 수 있으며, 이외에도 금속 박막 등을 기판에 코팅하는 방식 등으로 형성될 수도 있고, 전극의 재료는 도전성 물질이면 특별히 제한되지 않는다.
제어부(100)는 이러한 전극쌍에 직류전압을 인가하여 혈액의 커패시턴스 특성과 혈액 시료의 글루코스 효소반응에 따른 응답전류를 측정할 수 있다.
제2특성의 측정 시, 전극부근에 위치한 혈액 시료는 직류전압 인가에 따라 해당 전극에 접하고 있는 반응물질과 반응하게 되며, 이러한 전기화학적 반응에 따른 응답전류가 전극부(200)를 통해 측정될 수 있다.
여기서 반응물질은 시료 내의 분석물질과 반응하는 효소, 효소와 반응하는 전자전달 매개물질, 완충용액 물질, 효소 안정제 등을 포함하여 시료와 반응하는 물질을 의미한다.
이때 효소는 글루코스 산화효소, 락테이트 산화효소, 콜레스테롤 산화효소, 알코올 산화효소 등 여러 종류의 산화환원효소(Oxidoreductase)와, 글루코스 탈수소효소, GOT(glutamic oxaloacetic trnasmianse), GPT(glutamic pyruvic trnasmianse)등의 전이효소와 가수분해효소가 사용될 수 있고, 전자전달 매개물질로는 포타슘 페리시안나이드(potassium ferricyanide), 포타슘 페로시안나이드(potassium ferrocyanide), 헥사아민루세늄 클로라이드(hexaamineruthenium chloride), 페로센(ferrocene) 및 그 유도체, 퀴논(quinine) 및 그 유도체 등 효소와 반응하여 산화 또는 환원 할 수 있는 물질들이 사용될 수 있다. 다만 효소 및 전자전달 매개물질은 이에 한정되는 것은 아니며, 이외의 다양한 물질의 예가 가능하다.
한편 혈액 시료의 커패시턴스 특성의 측정은 다음과 같은 방식으로 수행될 수 있다.
구체적으로 제어부(100)는 설정시간동안 직류전압을 인가한 이후의 방전 전압을 측정하여 혈액 시료의 커패시턴스 특성을 측정할 수 있다. 즉, 혈액의 전기적 등가모델은 Rs//Cs+Rm로 표현될 수 있으며, 적혈구가 콘덴서의 역할을 하는 것으로 볼 수 있다.
따라서 제어부(100)는 설정시간동안 직류전압을 인가한 이후 방전되는 전압을 검출하여 혈액 시료의 커패시턴스 특성을 측정할 수 있다.
예를 들어, 도 2에 도시된 것과 같이 제어부(100)는 램프(ramp) 파형의 전압을 설정시간동안 인가하여 혈액이 전기적으로 충전되도록 할 수 있다. 이후 제어부(100)는 전압 인가를 중단하고, 방전되는 전압을 검출하여 혈액 시료의 커패시턴스 특성을 측정할 수 있다.
또는 제어부(100)는 구형파나 임펄스 파형의 신호를 인가하여 혈액이 전기적으로 충전되도록 할 수도 있다.
이러한 충전 및 방전에 따른 전압 변화는 도 3에서 확인할 수 있다. 즉, t1시점에서 t2시점까지 혈액은 전기적으로 충전되며, 이후 전압 인가가 중단되면, 방전이 수행된다.
제어부(100)는 이러한 방전 전압을 측정하여 혈액 시료의 커패시턴스 특성을 파악할 수 있다. 즉, 도 3의 (a) 및 (b)에서 볼 수 있듯이, 혈액의 커패시턴스 특성에 따라 방전 전압의 형태가 달라지며, 이러한 커패시턴스 특성은 적혈구의 용적률에 주로 영향을 받는다. 따라서 제어부(100)는 이러한 커패시턴스 특성을 측정하여 적혈구의 용적률에 관한 정보를 파악할 수 있다.
제어부(100)는 이러한 방전 전압 측정 시, 특정 시점의 전압값을 측정하는 방식, 방전 전압의 기울기를 파악하는 방식, 방전 전압의 크기 및 변화율을 측정하는 방식 등을 사용하여 방전 전압의 형태를 파악할 수 있다.
한편 도 3의 (a) 및 (b)에서 볼 수 있듯이, 혈액의 커패시턴스 특성에 따라 충전 전압의 형태 또한 달라지므로, 제어부(100)는 설정시간동안 충전 전압을 측정하여 혈액의 커패시턴스 특성을 측정할 수도 있다.
한편 도 3에서 t3시점은 제1특성의 반복 측정 등을 위해 전극을 그라운드로 연결하여 완전 방전을 수행하는 것을 나타낸 것이다.
또한 제어부(100)는 전극부를 통해 시료에 직류전압을 인가하여 혈액의 저항 특성을 측정할 수도 있다.
즉, 제어부(100)는 상수 형태의 직류전압을 인가하여 상술한 Rs+Rm값에 관한 정보를 파악할 수 있다.
제어부(100)는 이렇게 측정된 제1특성(혈액의 커패시턴스 특성 및/또는 저항 특성) 및 제2특성(산화환원반응에 따른 응답전류)에 기초하여 시료 내의 검체의 농도(혈액의 글루코스 농도)를 산출할 수 있다.
이때 제어부(100)는 미리 설정된 수식에 각 측정값을 대입하여 혈액의 글루코스 농도를 산출할 수 있고, 산화환원반응에 따른 응답전류에 따라 산출된 농도를 제1특성을 이용하여 보정할 수도 있다.
이때 제어부(100)는 제1특성을 이용하여 혈액의 적혈구 용적률을 산출하고, 산출된 용적률에 기초하여 농도를 보정하는 방식을 사용할 수 있을 것이다.
이때 커패시턴스 특성 등을 이용하여 혈액의 적혈구 용적률을 산출하는 것은 본 실시예에 따른 장치에서 인가하는 직류전압, 각 전극의 위치 및 형상 등에 따라 달라질 수 있으며, 예를 들어 구체적인 실험 결과를 회귀 분석하는 방식으로 도출 될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 검체의 농도 측정 방법을 설명하기 위한 흐름도로서, 이를 참조하여 본 실시예에 따른 검체의 농도 측정 방법을 설명하면 다음과 같다.
제어부(100)는 먼저 전극부(200)를 통해 직류전압을 인가하여 혈액 시료의 커패시턴스 특성을 측정한다(S200). 예를 들어, 제어부(100)는 설정시간동안 직류전압을 인가한 이후의 방전 전압을 측정하여 시료의 커패시턴스 특성을 측정할 수 있다.
이어서 제어부(100)는 전극부(200)를 통해 혈액 시료의 글루코스 산화반응에 따른 전류를 측정한다(S210). 예를 들어, 제어부(100)는 일정한 값의 직류전압을 인가하거나 기 설정된 휴지시간동안 전압을 인가하지 않는 휴지기, 제1기준시간동안 제1기준전압을 인가하는 제1기, 제2기준시간동안 제2기준전압을 인가하는 제2기 및 제3기준시간동안 제3기준전압을 인가하는 제3기를 하나의 세트로 하는 직류전압을 인가하여 혈액 시료의 글루코스 산화반응에 따른 전류를 측정할 수 있다.
이후 제어부(100)는 상기 단계(200)에서 측정된 커패시턴스 특성 및 상기 단계(S210)에서 측정된 전류에 기초하여 혈액 시료의 글루코스 농도를 산출한다(S200). 예를 들어, 제어부(100)는 상기 단계(S210)에서 측정된 전류에 기초하여 혈액 시료의 글루코스 농도를 산출하고, 상기 단계(200)에서 측정된 커패시턴스 특성을 통해 이를 보정할 수 있다.
다만 혈액 시료의 글루코스 효소반응에 따른 전류를 통해 글루코스 농도를 산출하는 것은 이미 널리 알려진 기술에 해당하므로, 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
본 실시예에서는 혈당 즉, 혈액의 글루코스 농도를 산출하는 것으로 설명하였으나, 체액 등 다른 시료를 분석할 때에도 동일한 방식이 적용될 수 있을 것이다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 따른 검체의 농도 측정 방법 및 장치는 DC 신호만을 이용하여 검체의 특성 즉, 커패시턴스 특성을 측정하고, 이를 통해 검체의 농도를 정확하게 측정할 수 있도록 함으로써, AC 신호를 인가하기 위한 별도의 전극이나 전원부의 구성을 부가하지 않을 수 있도록 한다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
100: 제어부
200: 전극부

Claims (11)

  1. 제어부가 전극부를 통해 시료에 직류전압을 인가하여 제1특성을 측정하는 단계;
    상기 제어부가 상기 전극부를 통해 상기 시료에 직류전압을 인가하여 제2특성을 측정하는 단계; 및
    상기 제어부가 상기 측정된 제1특성 및 제2특성에 기초하여 상기 시료 내의 검체의 농도 또는 성분을 산출하는 단계를 포함하되,
    상기 제1특성은 상기 검체의 커패시턴스 특성을 포함하고,
    상기 제1특성을 측정하는 단계에서, 상기 제어부는 설정시간동안 직류전압을 인가한 이후의 방전 전압을 측정하거나, 설정시간동안 직류전압을 인가하면서 충전 전압을 측정하는 것을 특징으로 하는 검체의 농도 측정 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1특성은 상기 검체의 저항 또는 전류 특성을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 검체의 농도 측정 방법.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1특성을 측정하는 단계에서, 상기 제어부는 상기 방전 전압의 크기 및 변화율을 측정하는 것을 특징으로 하는 검체의 농도 측정 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1특성을 측정하는 단계에서, 상기 제어부는 램프(ramp), 구형파 또는 임펄스 파형의 신호를 인가하는 것을 특징으로 하는 검체의 농도 측정 방법.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 글루코스(glucose) 농도를 산출하는 것을 특징으로 하는 검체의 농도 측정 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제2특성을 측정하는 단계에서, 상기 제어부는 글루코스 효소반응에 따른 응답전류를 측정하는 것을 특징으로 하는 검체의 농도 측정 방법.
  10. 유입된 시료에 직류신호를 인가하기 위한 전극부; 및
    상기 전극부를 통해 상기 시료에 직류전압을 인가하여 커패시턴스 특성을 측정하고, 상기 전극부를 통해 상기 시료에 직류전압을 인가하여 글루코스 효소반응에 따른 응답전류를 측정하며, 측정된 상기 커패시턴스 특성 및 상기 응답전류에 기초하여 상기 시료의 글루코스(glucose) 농도를 산출하는 제어부를 포함하되,
    상기 제어부는, 상기 커패시턴스 특성 측정 시, 설정시간동안 직류전압을 인가한 이후의 방전 전압을 측정하거나, 설정시간동안 직류전압을 인가하면서 충전 전압을 측정하는 것을 특징으로 하는 검체의 농도 측정 장치.
  11. 삭제
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