KR102208863B1 - 시료 변화 감지 장치 및 시료 변화 감지 방법 - Google Patents

Abstract

시료 변화 감지 장치가 개시된다. 본 발명에 따른 시료 변화 감지 장치는, 광원을 포함하는 광원부; 상기 광원에 의한 광 경로 상에 위치하며, 화학 반응 전의 시료 혹은 화학 반응 후의 상기 시료가 배치되는 시료부; 피크 값이 다른 특정한 파장 대역을 측정 가능한 적어도 2개의 수광소자를 포함하여 상기 시료부를 거친 광의 파장 특성을 측정하는 측정부; 및 상기 측정부에서 측정된 결과를 이용하여 상기 시료의 색 변화 및 밝기의 변화를 감지하는 검출 회로부; 를 포함할 수 있다. 상기 시료 변화 감지 장치는, 상기 시료부와 상기 측정부 사이에 위치하여, 상기 시료부를 통과하는 광을 상기 측정부의 각 수광 소자로 균일하게 전달되도록 하는 빔 스플리터;를 더 포함할 수 있다.

Description

시료 변화 감지 장치 및 시료 변화 감지 방법{Sample change detection device and sample change detection method}

본 발명은 시료 변화를 감지할 수 있는 장치 및 시료 변화를 감지하는 방법에 관한 발명이다.

병원 등에서는 체액 내 특정 병원균의 정성적/정량적 검출을 위해, 병원균의 존재 여부에 따라 색이 변하는 시료 혹은 병원균의 농도에 따라 밝기가 변하는 시료를 많이 활용한다. 최근에 연구되는 화학 분야나 바이오 분야에서도 시료가 반응한 결과 색이나 밝기 등의 변화가 나타나는 것을 이용하여 연구하는 경우가 많다. 시료의 색이 변하였는지 여부는 현재 대부분 육안으로 확인하는데, 이는 정확성이 떨어진다. 또한 비슷한 색상인 경우 육안으로 확인하기 어렵다. 시료의 색이나 밝기가 변하였는지의 검증은 대부분 엘라이자 리더(ELISA reader) 혹은 스펙트로미터 장비를 사용하는데, 크고 무거우며 고가이고, 컴퓨터를 이용해 측정 결과를 확인 및 분석하기 때문에 의료 현장이나 실험 현장에서의 실시간 진단에 적용하기에 어려움이 있다.

본 발명에서는, 기존의 색 및 밝기 변화 검출에 쓰이는 고가의 스펙트로미터를 대체할 수 있는 장비를 제공하고자 한다.

또한 본 발명에서는, 시료의 종류에 한정되지 아니하고 시료의 색 및 밝기 변화를 검출할 수 있는 장비를 제공하고자 한다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급된 과제로 제한되지 않는다. 언급되지 않은 다른 기술적 과제들은 이하의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명에 따른 시료 변화 감지 장치는, 광원을 포함하는 광원부; 상기 광원에 의한 광 경로 상에 위치하며, 화학 반응 전의 시료 혹은 화학 반응 후의 상기 시료가 배치되는 시료부; 피크 값이 다른 특정한 파장 대역을 측정 가능한 적어도 2개의 수광소자를 포함하여 상기 시료부를 거친 광의 특성을 측정하는 측정부; 상기 측정부에서 측정된 결과를 이용하여 상기 시료의 색 변화 및 밝기의 변화를 감지하는 검출 회로부; 를 포함할 수 있다.

상기 시료 변화 감지 장치는, 상기 시료부와 상기 측정부 사이에 위치하여, 상기 시료부를 통과하는 광을 상기 측정부의 각 수광 소자로 균일하게 전달되도록 하는 빔 스플리터;를 더 포함할 수 있다.

상기 시료 변화 감지 장치는, 상기 시료부를 기준으로 상기 광원부 방향으로의 광 경로는 하나로, 상기 측정부 방향으로의 광 경로는 상기 측정부에 포함되는 상기 수광소자의 개수만큼으로 제공될 수 있다.

상기 시료 변화 감지 장치의 내부 표면은, 상기 광원부의 상기 광이 경로를 따라 진행하면서 발생하는 손실을 최소화할 수 있는 재질로 형성되고, 상기 시료 변화 감지 장치의 외부 표면은, 외부의 광 신호를 상기 시료 변화 감지 장치 내부로 투과시키지 않도록 하기 위한 재질로 형성될 수 있다.

상기 검출 회로부는, 상기 측정부에서 얻어진 신호를 증폭하는 증폭 회로부; 상기 증폭된 신호를 디지털 신호로 변환하는 변환 회로부; 상기 변환된 신호를 연산하여 시료의 변화를 판단하는 연산부;를 포함할 수 있다.

상기 연산부는, 화학 반응 전의 상기 시료가 상기 적어도 2개의 수광소자 각각을 통과한 결과로 생성된 적어도 2개의 출력값의 대소관계와, 화학 반응 후의 상기 시료가 상기 적어도 2개의 수광소자 각각을 통과한 결과로 생성된 적어도 2개의 출력값의 대소관계를 비교할 수 있다.

상기 연산부는, 화학 반응 전의 상기 시료에 대해 생성된 적어도 2개의 출력값 간의 대소관계와 화학 반응 후의 상기 시료에 대해 생성된 적어도 2개의 출력값 간의 대소관계가 변화가 있는 경우 색이 변한 것으로, 상기 대소관계가 변화가 없는 경우 밝기가 변한 것으로 판단할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 시료 변화 감지 장치는, 상기 시료의 변화 감지 결과를 출력하는 디스플레이부; 를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 시료 변화 감지 방법은, 광원을 반응 전의 시료에 조사하는 단계; 상기 시료를 통과한 제1광을 피크 값이 다른 특정한 파장 대역을 측정 가능한 적어도 2개의 수광소자에 의해 상기 제1광의 적어도 2개의 출력값을 측정하는 단계; 상기 광원을 반응 후의 상기 시료에 조사하는 단계; 상기 반응 후의 상기 시료를 통과한 제2광을 피크 값이 다른 특정한 파장 대역을 측정 가능한 적어도 2개의 수광소자에 의해 상기 제2광의 적어도 2개의 출력값을 측정하는 단계; 상기 제1광의 적어도 2개의 출력값 간의 대소관계와 상기 제2광의 적어도 2개의 출력값 간의 대소관계를 비교하여 상기 시료의 변화 결과를 판단하는 단계;를 포함할 수 있다.

시료 변화 감지 방법에 있어서, 상기 제1광의 적어도 2개의 출력값 간의 대소관계와 상기 제2광의 적어도 2개의 출력값 간의 대소관계를 비교하는 단계는, 상기 적어도 2개의 수광소자에 의한 상기 제1광의 대소 관계를 비교하는 제1단계; 상기 적어도 2개의 수광소자에 의한 상기 제2광의 대소 관계를 비교하는 제2단계; 상기 제1단계와 상기 제2단계에서의 대소관계의 반전 여부를 판단하는 제3단계;를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 시료 변화 감지 방법은, 상기 제1단계와 상기 제2단계에서의 대소관계가 반전된 경우 색이 변화되었음을 출력하는 단계;를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 시료 변화 감지 방법은, 상기 제1단계와 상기 제2단계에서의 대소관계가 반전되지 아니한 경우 밝기가 변화되었음을 출력하는 단계;를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 기존에 색 및 밝기 변화 검출에 쓰이던 스펙트로미터를 대체할 수 있는 장비를 제공할 수 있다.

본 발명의 다른 효과에 따르면, 기존에 유사한 용도로 사용되는 스펙트로미터에 비해 유사한 수준의 검출 정확도를 가지면서 저가로 소형화가 가능하므로 경제적이다.

본 발명의 다른 효과에 따르면, 검출할 수 있는 시료의 종류가 한정되지 않아 다양한 분야에 적용이 가능한 장비가 제공될 수 있다.

본 발명의 효과는 상술한 효과들로 제한되지 않는다. 언급되지 않은 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 시료 변화 감지 장치의 검출 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 시료 변화 감지 장치를 블록도로 간단히 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2에 따른 검출 회로부의 구성을 블록도로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 시료 변화 감지 장치의 일 실시예를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 시료 변화 감지 장치에서의 판단 방법을 설명하기 위한 도면이다
도 6은 본 발명에 따른 시료 변화 감지 방법을 설명하는 순서도이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 또한, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다.

어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 구체적으로, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.

본 명세서 전체에서 사용되는 '~부' 및 '~모듈' 은 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위로서, 예를 들어 소프트웨어, FPGA 또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미할 수 있다. 그렇지만 '~부' 및 '~모듈'이 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. '~부' 및 '~모듈'은 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다.

일 예로서 '~부' 및 '~모듈'은 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로 코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들 및 변수들을 포함할 수 있다. 구성요소와 '~부' 및 '~모듈'에서 제공하는 기능은 복수의 구성요소 및 '~부' 및 '~모듈'들에 의해 분리되어 수행될 수도 있고, 다른 추가적인 구성요소와 통합될 수도 있다.

본 발명에서는 화학 및 바이오, 생체 반응 등에 의한 시료의 색 및 밝기 변화를 간단하고 경제적으로 판별할 수 있는 시료 변화 검출 장치 및 시료 변화 검출 방법을 제안한다. 본 발명에서는 목표하는 시료의 반응 전과 반응 후의 스펙트럼의 변화에 최적화된 파장 대역의 수광 소자를 선택하고, 반응 전과 반응 후의 시료를 통과한 광을 다수의 수광 소자로 측정하여 출력값을 비교 분석한다. 출력된 광의 인텐시티(intensity) 값 간의 대소 관계가 변할 경우 시료의 파장이 이동하여 색이 변함을 판별할 수 있고, 대소 관계 변화 없이 출력이 모두 증가 혹은 감소할 경우 시료의 밝기가 변함을 판별할 수 있다. 이러한 검출 장치 및 검출 방법을 사용하면, 시료가 반응하여 성분이 변화되거나 혹은 농도가 변화되는 것에 따른 색 및 밝기 변화와 형광의 변화 양상을 실시간으로 확인할 수 있다. 또한 기존에 사용하던 스펙트로미터 장치에 비해 더 적은 양의 시료로 정확한 색 및 밝기 변화 검출이 가능하다. 시스템 구성이 간단하며 부품의 가격이 저렴하여 양산성이 높고 큰 시장성을 가지는 효과가 있을 것으로 예상된다.

이하에서 설명하는 바는 본 발명의 일 실시예에 불과하고, 도면 및 발명의 설명에 개시된 부분에 한정되어 해석되지 아니한다. 이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 기술적 개념 및 일 실시예를 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 시료 변화 감지 장치의 검출 원리를 설명하기 위한 도면이다. 본 발명의 개념적 특징은, 흡광도 및 투광도 차이가 가장 큰 두 파장의 빛에서 민감한 반응도를 가지는 적어도 2개의 수광 소자를 이용한다. 상기 적어도 2개의 수광 소자를 이용하여 서로 다른 두 색깔을 띄거나, 농도에 차이가 있을 수 있는 반응 전의 시료와 반응 후의 시료의 출력값을 측정하여, 출력값의 반전 여부를 통해 색 변화 여부 혹은 농도 변화 여부를 감지하는 것이다. 이는 시료가 반응 전후로 색이 변화할 경우, 파장의 차이가 발생하고, 그로 인해 파장 대역이 정해진 수광소자를 통과한 결과 발생하는 출력값의 대소관계가 반전될 것이므로 이를 이용한 것이다.

도 1을 참조하면, 두 개의 피크(peak) 파장 대역을 측정할 수 있는 수광소자가 제공된다. 수광소자는 도달하는 빛의 강도에 따라 전기적인 출력을 내는 소자일 수 있다. 빨간색으로 표시된 수광소자는 365nm의 피크 파장을 측정할 수 있으며, 파란색으로 표시된 수광소자는 525nm의 피크 파장을 측정할 수 있다. 상기 피크 파장 대역을 측정할 수 있는 각각의 수광소자는, 해당 피크 파장 값의 주변부에 있는 파장 대역을 감지할 수 있다. 수광소자가 감지할 수 있는 범위 내의 파장을 갖는 빛이 들어오면 수광소자가 그를 측정하여 대응하는 출력값을 낼 수 있으며, 수광소자가 측정할 수 있는 범위 외의 파장을 갖는 빛이 들어오면 출력값을 낼 수 없다.

상기 각각의 수광소자에 광을 조사하는 경우를 가정한다. 시료를 통과한 광의 인텐시티(intensity) 분포가 A와 같을 경우, 365nm에서 피크 파장 대역을 측정할 수 있는 수광소자의 출력이 525nm에서 피크 파장 대역을 측정할 수 있는 수광소자의 출력보다 더 크게 나타날 것이다. 반대로 시료를 통과한 광의 인텐시티(intensity) 분포가 B 와 같다면, 출력의 크기는 525nm에서 피크 파장 대역을 측정할 수 있는 수광소자의 출력이 365nm에서 피크 파장 대역을 측정할 수 있는 수광소자의 출력보다 더 크게 나타날 것이다. 즉, 서로 다른 파장 대역을 가지는 수광소자를 이용하여 시료의 밝기의 변화 혹은 색의 변화를 용이하게 판별할 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 시료 변화 감지 장치를 블록도로 간단히 나타낸 도면이다.

본 발명에 따른 시료 변화 감지 장치(1)는, 광원부(10), 시료부(20), 측정부(30), 검출 회로부(40) 및 디스플레이부(50)를 포함할 수 있다.

광원부(10)는 빛을 내는 광원(11)을 포함할 수 있다. 광원부(10)는 상기 광원(11)을 구동하는 광원 구동 회로(12)를 더 포함할 수 있다. 상기 광원(10)은 LED 광원일 수 있다. 상기 광원은 파장별 광 인텐시티(intensity) 를 알고 있는 광원일 수 있다. 상기 광원은 가시광선 영역의 파장 대역 내에서 1개 혹은 그 이상의 파장에서 밝기 피크(peak) 값을 가지는 광원일 수 있다. 혹은 상기 광원은 백색 광원일 수 있으며, 백색광을 방사할 수 있다. 광원부(10)는 시료 변화 감지 장치(1)의 일 끝단에 연결될 수 있다.

시료부(20)에는 시료(21)가 고정될 수 있다. 시료부(20)는 상기 광원(11)에 의해 발생하는 광의 광 경로 상에 위치할 수 있다. 상기 고정되는 시료는 화학 반응 전의 시료일 수 있다. 혹은 상기 고정되는 시료는 화학 반응 후의 시료일 수 있다. 상기 시료는 유색의 유형을 가지는 시료 혹은 무형인 시료일 수 있다. 시료부(20)는 유색의 유형 또는 무형의 시료의 위치가 측정 과정에서 광 경로를 변화시키지 않게 시료를 고정시키는 고정 장치를 더 포함할 수 있다. 상기 광은 시료부(20)를 통과하여 시료부(20)에 고정되는 시료(21)를 투과할 수 있다. 시료부(20)는 광원부(10)와 측정부(30)의 경로 사이에 위치할 수 있다.

측정부(30)는 가시광선 영역의 파장 대역 내에서 반응도 피크 파장이 서로 다른 적어도 2개의 수광소자를 포함할 수 있다. 적어도 2개의 수광소자는 피크 값이 다른 특정한 파장 대역을 감지할 수 있다. 상기 적어도 2개의 수광소자의 피크 값이 다른 특정한 파장 대역의 일 예로는, 가시광선 대역에서 색이 다르게 나타나는 두 파장대역일 수 있다. 적어도 2개의 수광소자의 파장 대역은, 가시광선 대역 내의 빨간색 영역의 파장과, 가시광선 대역 내의 파란색 영역의 파장일 수 있다. 3개 이상의 수광소자가 제공될 경우에는, 3개 이상의 수광소자가 측정 가능한 파장 대역은 각각 다른 색의 영역을 측정하는 파장 대역일 수 있다. 그러나, 측정하고자 하는 시료의 파장 대역에 따라, 피크 파장값은 다르면서 동일한 영역의 색을 측정 가능한 파장 대역으로 수광소자의 파장 대역이 선택될 수도 있다. 측정부(30)에서 측정 대상이 되는 광은, 시료부(20)를 투과한 광일 수 있다. 측정부(30)가 포함하는 적어도 2개의 수광소자는 상기 시료부(20)의 시료를 투과한 특정 파장의 광 인텐시티(intensity)를 측정할 수 있다. 광의 인텐시티(intensity)의 단위는 와트(W)일 수 있다. 측정부(30)의 수광 소자는 각 경로의 끝에 연결되어 서로 다른 파장 대역을 감지할 수 있다. 수광 소자는 시료를 투과한 빛을 감지할 수 있다. 측정부(30)가 포함하는 적어도 2개의 수광소자에 있어서, 상기 수광소자를 통해 받아들일 수 있는 파장의 범위는 미리 정해질 수 있다. 상기 수광소자를 통해 받아들일 수 있는 파장의 범위는 칼라 필터를 이용하여 정해질 수 있다.

측정부(30)는 적어도 2개의 수광 소자를 포함할 수 있다. 측정부가 포함하는 수광 소자는 2개 이상으로 제공될 수 있으며, 수광소자의 개수와 출력되는 파장의 개수는 대응되어 형성될 수 있다. 예시적으로, 측정부가 포함하는 수광소자가 2개일 경우, 반응 전의 시료에 광을 조사하여 투과된 광은 상기 2개의 수광소자를 통과하게 되어 각각의 수광소자가 측정할 수 있는 파장 대역에서 각각 2개의 출력 결과가 나타날 수 있다. 또한 반응 후의 시료에 광을 조사하여 투과된 광은 상기 2개의 수광 소자를 통과하게 되어 각각의 수광소자가 측정할 수 있는 파장 대역에서 각각 2개의 출력 결과가 나타날 수 있다.

즉 2개의 수광 소자를 포함하는 측정부의 경우, 반응 전 시료에 대한 2개의 수광 소자의 반응 결과 출력값 2개와, 반응 후 시료에 대한 2개의 수광 소자의 반응 결과 출력값 2개의 총 4개의 결과가 도출될 수 있다.

만일 3개의 수광 소자를 포함하는 경우에는, 반응 전 시료에 대한 서로 다른 측정 가능한 파장 대역을 가지는 3개의 수광 소자에 대한 반응 결과 출력값 3개와, 반응 후 시료에 대한 3개의 수광 소자에 대한 반응 결과 출력값 3개로 총 6개의 결과가 도출될 수 있다.

검출 회로부(40)는 측정부(30)에서 측정된 결과를 이용하여 상기 시료의 색 변화 및 밝기의 변화를 감지할 수 있다. 검출 회로부(40)의 자세한 구조는 이하의 도 3의 설명에서 후술한다. 검출 회로부(40)는 측정부(30)에 연결되어, 측정부(30)에서 측정한 출력값을 통해 시료의 변화를 검출할 수 있다.

디스플레이부(50)는 검출 회로부(40)의 결과를 출력할 수 있다.

도 3은 도 2에 따른 검출 회로부(40)의 구성을 블록도로 나타낸 도면이다. 상기 검출 회로부(40)는, 증폭 회로부(41)와 변환 회로부(42), 연산부(43)를 더 포함할 수 있다. 증폭 회로부(41)는 측정부(30)에서 얻어진 신호를 증폭할 수 있다. 증폭 회로부(41)는 측정부(30)의 수광 소자의 출력 신호를 증폭시킬 수 있는 회로로 구성될 수 있다. 변환 회로부(42)는 증폭 회로부(41)에서 증폭된 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다. 변환 회로부(42)는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다. 연산부(43)는 상기 변환된 디지털 신호를 연산하여 시료의 변화를 판단할 수 있다.

연산부(43)는 화학 반응 전의 상기 시료가 상기 적어도 2개의 수광소자 각각을 통과한 결과로 생성된 적어도 2개의 출력값의 대소관계와, 화학 반응 후의 상기 시료가 상기 적어도 2개의 수광소자 각각을 통과한 결과로 생성된 적어도 2개의 출력값의 대소관계를 비교할 수 있다. 즉, 연산부(43)는 반응 전과 반응 후의 시료를 서로 다른 파장 대역에서 측정하고, 측정된 값들을 활용하여 시료 내 검출 물질의 성분 및 농도의 변화를 판단할 수 있다. 각 파장 대역에 대해 반응 전과 후의 측정된 출력값의 대소 관계 변화가 없으면 시료 내 검출 물질의 농도가, 대소 관계가 변했다면 시료 내 검출 물질의 성분이 변한 것으로 판단할 수 있다. 만일 상기 측정된 출력값의 대소 관계 변화가 없는 경우에 있어서, 반응 전의 시료가 적어도 2개의 수광소자 각각을 통과한 결과로 생성된 적어도 2개의 출력값과, 반응 후의 시료가 적어도 2개의 수광소자 각각을 통과한 결과로 생성된 적어도 2개의 출력값이 완전히 동일한 경우도 있을 수 있다. 완전히 동일한 경우는 반응 전의 시료와 반응 후의 시료가 차이가 없는 경우를 의미할 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 시료 변화 감지 장치(1)의 일 실시예를 나타내는 도면이다. 도 4에 따르면, 시료 변화 감지 장치(1)는 새총과 같은 모양으로 형성될 수 있다. 본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 시료 변화 감지 장치(1)의 전체적 형상은 측정부(30)에 포함되는 수광 소자의 개수에 따라 변화할 수 있다. 도 4에 도시된 시료 변화 감지 장치(1)는 수광 소자 2개(31, 32)를 포함하는 경우를 도시한 것이다.

시료 변화 감지 장치(1)는, 내부가 밀폐된 구성으로 제공될 수 있다. 시료 변화 감지 장치(1)의 내부 표면은, 상기 광원부(10)의 상기 광이 경로를 따라 진행하면서 발생하는 손실을 최소화할 수 있는 재질로 형성될 수 있다. 시료 변화 감지 장치(1)의 외부 표면은, 외부의 광 신호를 상기 시료 변화 감지 장치(1) 내부로 투과시키지 않도록 하기 위한 재질로 형성될 수 있다. 즉, 시료 변화 감지 장치(1)는 광원(11)이 시료(21)로 조사될 때 외부의 어떠한 영향도 받지 아니하며, 내부에서도 광이 손실되지 않도록 하여 정확도를 높일 수 있도록 표면이 처리되어 형성될 수 있다. 시료 변화 감지 장치(1)는, 일정한 광 경로를 유지하고 주변의 잡음 신호를 차단하도록 구성될 수 있다. 시료 변화 감지 장치(1)는 최적의 광 경로 조건과 암실 환경을 조성할 수 있다.

상기 시료 변화 감지 장치(1)는, 빔 스플리터(60)를 더 포함할 수 있다. 빔 스플리터(60)는, 상기 시료부(20)와 상기 측정부(30) 사이에 위치하여, 상기 시료부(20)를 통과하는 광을 상기 측정부(30)의 각 수광 소자로 균일하게 전달되도록 할 수 있다. 빔 스플리터(60)는, 시료를 투과한 빛을 2개 이상의 경로로 스플릿 하여 각각의 수광소자에 도달하는 빛의 인텐시티(intensity)를 동일하게 맞출 수 있다.

시료 변화 감지 장치(1)의 다른 일 실시예에 의하면, 빔 스플리터(60)가 포함되지 않을 경우 시간차를 두고 각각의 다른 파장 대역을 가지는 수광소자에 빛을 조사하여 대소 관계를 비교할 수도 있다.

그러나 시료 변화 감지 장치(1)에서 빔 스플리터(60)를 이용하는 경우, 동일한 시간 내에 광을 같은 세기로 분배하여 동시에 적어도 2개의 수광 소자를 이용할 수 있으므로, 시간적인 측면에서 훨씬 효율적일 수 있다.

본 발명의 다른 일 실시예에 따른 시료 변화 감지 장치(1)에서는, 반응 전 시료에 대한 측정을 하는 단계가 생략될 수 있다. 시료 변화 감지 장치(1)에서는, 반응 전의 샘플 시료가 있을 수 있고, 상기 반응 전의 샘플 시료에 대해 광을 조사하여 각 파장대역 별로 출력된 결과가 검출 회로부에 저장되어 있을 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 반응 전의 시료와 반응 후의 시료에 각각 광을 조사하여 결과의 대소관계를 비교할 필요 없이, 이미 반응 전의 샘플 시료에 광을 조사한 결과가 저장되어 있는 경우, 반응 후의 시료를 대상으로만 광을 조사하여 대소관계를 비교하면 되므로, 시간적인 측면에서 효율적일 수 있다.

시료 변화 감지 장치(1)에 포함되는 광원부(10)와 시료부(20), 측정부(30)와 검출 회로부(40)는 순서대로 배치되어 형성될 수 있다. 또한 디스플레이부(50)는 블록도의 형태로 도시되었으나, 시료 변화 감지 장치(1)의 외면에 형성되어 시료의 색 또는 밝기의 변화 감지 결과를 출력할 수 있다. 디스플레이부(50)는 검출 회로부(40)와 전기적으로 연결되어 실시간으로 결과를 출력할 수 있다.

시료부(20)에 고정되는 시료는 어떠한 용기에 담겨서 형성될 수 있다. 시료 고정부(22)는 광원부(10)와 측정부(30)의 사이에 배치되어 시료를 고정시킬 수 있다. 시료 고정부(22)는 광원부(10)와 빔 스플리터(60)의 사이에 배치되어 시료를 고정시킬 수도 있다. 시료부(20)에서 투과된 광은 빔 스플리터(60)를 거쳐 측정부(30)에 도달할 수 있다. 빔 스플리터(60)를 거친 광의 세기는 동일할 수 있다.

측정부(30)가 포함하는 수광 소자들(31,32)에 투과되는 광의 세기는 동일할 수 있다. 각각의 수광소자(31,32)들이 측정할 수 있는 피크(peak) 파장 대역은 각각 다른 값을 가질 수 있다. 측정부(30)는 시료 변화 감지 장치(1)의 일 끝단에 위치할 수 있다. 빔 스플리터(60)와 각각의 수광소자(31,32)까지의 거리는 동일하게 형성될 수 있다. 각각의 수광소자(31,32)를 통해 반응 전의 시료와, 반응 후의 시료의 측정값을 측정부(30)에 연결되는 검출 회로부(40)를 통해 증폭 및 변환, 연산할 수 있다.

본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 상기 시료 변화 감지 장치(1)에서 광원(11)을 차단할 경우, 형광을 띄는 시료의 색 변화 및 인텐시티(intensity) 변화를 검출할 수도 있다.

도 5는 본 발명에 따른 시료 변화 감지 장치에서의 판단 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 5에 따르면 본 발명에 따른 시료 변화 감지 장치에서의, 스펙트럼 관점에서의 검출 과정을 설명하고 있다.

도 5(a)는 반응 전의 시료에 빛을 투과하였을 때를 설명하는 도면이며, 도 5(b)는 반응 후의 시료에 빛을 투과하였을 때를 설명하는 도면이다.

도 5(a) 및 도 5(b)에 따르면 광원부(10)에서 사용하는 광원은 동일하므로, 광원의 파장 별 밝기는 동일한 것을 확인할 수 있다. 시료 변화 감지 장치(1)에서, 광원은 동일한 파장을 사용한다. 도 5(a)와 도 5(b)의 시료를 살펴보면, 시료의 파장 별 흡광도가 차이가 있는 것을 확인할 수 있다. 상기 시료부 상에 표현되어 있는

과

는 적어도 2개의 수광소자에서 측정 가능한 빛의 피크 파장을 의미한다. 상기

과 상기

의 파장은 동일한 값을 가지지 아니하도록 구성된다. 시료의 파장 별 흡광도에 따라서 시료를 통과한 이후 적어도 2개의 수광소자로 들어가는 빛의 밝기는 차이가 있게 된다. 도 5(a)에 따르면 반응 전의 시료가 고정된 시료부(20)를 통과한 광원의 출력값은,

에서의 광의 세기가

에서의 광의 세기보다 크게 출력되는 것을 확인할 수 있다. 도 5(b)에 따르면, 반응 후의 시료가 고정된 시료부를 통과한 광원의 출력값은,

에서의 광의 세기가

에서의 광의 세기보다 크게 출력되는 것을 확인할 수 있다. 도 5에 나타나 있듯이, 반응 전의 시료와 반응 후의 시료의 파장 별 흡광도에 있어서 차이가 발생한 것을 확인할 수 있다.

도 5는 본 발명의 검출 과정을 이해하기 쉽도록 설명하기 위한 도면이며, 상기 반응 전 및 반응 후의 시료의 파장 별 흡광도는 반응의 정도에 따라 변할 수도 있고, 변하지 아니할 수도 있다. 도 5는 시료의 색이 변하였기 때문에 시료의 파장 별 흡광도가 변경된 결과를 나타내는 도면에 해당한다.

도 5는 2개의 수광 소자를 이용한 경우의 실시예에 해당한다. 만일 3개 이상의 수광 소자를 이용하는 경우에는, 반응 전의 시료가 3개의 수광 소자를 거쳐서 도출된 3개의 출력값에 대한 대소관계와, 반응 후의 시료가 3개의 수광 소자를 거쳐서 도출된 3개의 출력값에 대한 대소관계의 반전 여부를 비교할 수 있다. 상기와 같이 다수개의 수광 소자를 이용할 경우 2개의 수광소자를 이용할 경우에 비해서 다수 개의 비교 결과를 얻을 수 있으므로, 더 정확한 결과를 얻을 수 있는 특징이 있다. 또한 3개 이상의 수광 소자를 사용할 경우에도 빔 스플리터를 사용함으로써 3개 이상의 경로로 광을 스플릿 하여 동일한 세기로 인가될 수 있도록 설정할 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 시료 변화 감지 방법을 설명하는 순서도이다.

본 발명에 따른 시료 변화 감지 방법은, 광원을 반응 전과 반응 후의 시료에 각각 조사시킨다. 이 때 광원은 백색광일 수 있다. 반응 전의 시료에 조사시킨 광원을, 각각 다른 파장 대역을 측정 가능한 적어도 2개의 수광 소자를 통해 측정한다. 반응 후의 시료에 조사시킨 광원을, 각각 다른 파장 대역을 측정 가능한 적어도 2개의 수광소자를 통해 측정한다. 상기 측정 결과, 반응 전의 시료에 대한 광의 세기의 출력값이 적어도 2개만큼 측정되며, 반응 후의 시료에 대한 광의 세기의 출력값이 적어도 2개만큼 측정된다. 반응 전의 시료에 대해 측정된 적어도 2개의 출력값의 대소관계를 비교한다. 또한 반응 후의 시료에 대해 측정된 적어도 2개의 출력값의 대소관계를 비교한다. 반응 전의 시료의 출력값의 대소관계에 비하여, 반응 후 시료에서의 파장 값의 대소관계가 반전되었는지 여부를 판단한다. 이 때 대소 관계가 반전된 경우, 시료가 반응하여 색이 변화되어 성분이 변화된 것으로 판단하고, 해당 결과를 디스플레이부를 통해 출력한다. 대소 관계가 반전되지 아니한 경우, 시료가 반응하여 밝기만이 변화되어 시료의 농도가 변화된 것으로 판단하고, 해당 결과를 디스플레이부를 통해 출력한다.

이하에서는 이해가 쉽도록 구체적인 값을 이용하여 설명한다. 만일 반응 전의 시료에 의해 측정된 출력값이, 제1 수광소자를 통해 측정된 값은 250mW, 제2 수광소자를 통해 측정된 값은 550mW라 가정한다. 이 때, 제1 수광소자를 통해 측정된 출력값보다 제2 수광소자를 통해 측정된 출력값이 더 큰 값을 가지는 것을 알 수 있다. 반응 후의 시료에 의해 측정된 출력값이, 제1 수광소자를 통해 측정된 값은 300mW, 제2 수광소자를 통해 측정된 값은 600mW일 때를 가정한다. 이 때, 제1 수광소자를 통해 측정된 출력값보다 제2 수광소자를 통해 측정된 출력값이 더 큰 값을 가지는 것을 알 수 있다.

즉, 반응 전의 시료의 경우와, 반응 후의 시료의 경우 모두 제1 수광소자를 통해 측정된 출력값보다 제2 수광소자를 통해 측정된 출력값이 더 큰 값을 가지므로, 수광소자가 측정한 출력값 간의 대소관계의 반전이 없다. 따라서 이 경우에는 시료가 반응을 통해 밝기 변화만 이루어졌음을 확인할 수 있으며, 시료의 농도 변화가 있었음을 알 수 있다. 반대로, 반응 후의 시료가 제1 수광소자를 통해 측정된 출력값이 제2 수광소자를 통해 측정된 출력값보다 더 큰 값을 가지도록 측정된 경우에는, 수광소자가 측정한 출력값 간의 대소관계의 반전이 있는 것이므로, 시료가 반응을 통해 색이 변화하였으며, 시료의 성분 변화가 있었음을 알 수 있게 된다.

본 발명에 따른 시료 변화 감지 장치(1)는, 이온, 고분자, DNA, 박테리아 등 어떤 물질이라도 시료의 성분 및 농도 변화에 따른 색 변화 검출이 가능하다. 또한 본 발명에 따른 시료 변화 감지 장치(1)는, 색의 변화뿐 아니라, 시료의 광 인텐시티(intensity) 변화 검출도 가능하다.

따라서 본 발명에 따르면, 가격이 저렴하고 정확도가 높으면서, 휴대성까지 가지는 화학 센서 및 바이오 센서로써 다양한 분야에 적용될 수 있을 것으로 예상된다. 또한, 본 발명은 의료 현장에서의 실시간 진단에 유용하게 사용될 것으로 예상된다.

이상의 실시예들은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시된 것으로, 본 발명의 범위를 제한하지 않으며, 이로부터 다양한 변형 가능한 실시예들도 본 발명의 범위에 속하는 것임을 이해하여야 한다. 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이며, 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 문언적 기재 그 자체로 한정되는 것이 아니라 실질적으로는 기술적 가치가 균등한 범주의 발명까지 미치는 것임을 이해하여야 한다.

1 : 시료 변화 감지 장치
10 : 광원부
20 : 시료부
30 : 측정부
40 : 검출 회로부
50 : 디스플레이부
60 : 빔 스플리터

Claims (12)

1. 광원을 포함하는 광원부;
   상기 광원에 의한 광 경로 상에 위치하며, 화학 반응 전의 시료 혹은 화학 반응 후의 상기 시료가 배치되는 시료부;
   피크 값이 다른 특정한 파장 대역을 측정 가능한 적어도 2개의 수광소자를 포함하여 상기 시료부를 거친 광의 특성을 측정하는 측정부;
   상기 측정부에서 측정된 결과를 이용하여 상기 시료의 색 변화 및 밝기의 변화를 감지하는 검출 회로부; 를 포함하며,
   상기 검출 회로부는 화학 반응 전의 적어도 2개의 수광소자의 출력값의 대소관계와 화학반응 후의 상기 적어도 2개의 수광소자의 출력값의 대소관계에 기반하여 시료의 변화 양상을 판단하는 시료 변화 감지 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 시료부와 상기 측정부 사이에 위치하여, 상기 시료부를 통과하는 광을 상기 측정부의 각 수광 소자로 균일하게 전달되도록 하는 빔 스플리터;를 더 포함하는 시료 변화 감지 장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 시료 변화 감지 장치는, 상기 시료부를 기준으로 상기 광원부 방향으로의 광 경로는 하나로, 상기 측정부 방향으로의 광 경로는 상기 측정부에 포함되는 상기 수광소자의 개수만큼으로 제공되는 것을 특징으로 하는 시료 변화 감지 장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 시료 변화 감지 장치의 내부 표면은, 상기 광원부의 상기 광이 경로를 따라 진행하면서 발생하는 손실을 최소화할 수 있는 재질로 형성되고,
   상기 시료 변화 감지 장치의 외부 표면은, 외부의 광 신호를 상기 시료 변화 감지 장치 내부로 투과시키지 않도록 하기 위한 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 시료 변화 감지 장치.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 하나에 있어서,
   상기 검출 회로부는,
   상기 측정부에서 얻어진 신호를 증폭하는 증폭 회로부;
   상기 증폭된 신호를 디지털 신호로 변환하는 변환 회로부;
   상기 변환된 신호를 연산하여 시료의 변화를 판단하는 연산부;를 포함하는 시료 변화 감지 장치.
6. 제5항에 있어서,
   상기 연산부는,
   화학 반응 전의 상기 시료가 상기 적어도 2개의 수광소자 각각을 통과한 결과로 생성된 적어도 2개의 출력값의 대소관계와,
   화학 반응 후의 상기 시료가 상기 적어도 2개의 수광소자 각각을 통과한 결과로 생성된 적어도 2개의 출력값의 대소관계를 비교하는 시료 변화 감지 장치.
7. 제6항에 있어서,
   상기 연산부는,
   화학 반응 전의 상기 시료에 대해 생성된 적어도 2개의 출력값 간의 대소관계와 화학 반응 후의 상기 시료에 대해 생성된 적어도 2개의 출력값 간의 대소관계가 변화가 있는 경우 색이 변한 것으로, 상기 대소관계가 변화가 없는 경우 밝기가 변한 것으로 판단하는 시료 변화 감지 장치.
8. 제7항에 있어서,
   상기 시료의 변화 감지 결과를 출력하는 디스플레이부; 를 더 포함하는 시료 변화 감지 장치.
9. 광원을 반응 전의 시료에 조사하는 단계;
   상기 시료를 통과한 제1광을 피크 값이 다른 특정한 파장 대역을 측정 가능한 적어도 2개의 수광소자에 의해 상기 제1광의 적어도 2개의 출력값을 측정하는 단계;
   상기 광원을 반응 후의 상기 시료에 조사하는 단계;
   상기 반응 후의 상기 시료를 통과한 제2광을 피크 값이 다른 특정한 파장 대역을 측정 가능한 적어도 2개의 수광소자에 의해 상기 제2광의 적어도 2개의 출력값을 측정하는 단계;
   상기 제1광의 적어도 2개의 출력값 간의 대소관계와 상기 제2광의 적어도 2개의 출력값 간의 대소관계를 비교하여 상기 시료의 변화 결과를 판단하는 단계;를 포함하는 시료 변화 감지 방법.
10. 제9항에 있어서,
    상기 제1광의 적어도 2개의 출력값 간의 대소관계와 상기 제2광의 적어도 2개의 출력값 간의 대소관계를 비교하는 단계는,
    상기 적어도 2개의 수광소자에 의한 상기 제1광의 대소 관계를 비교하는 제1단계;
    상기 적어도 2개의 수광소자에 의한 상기 제2광의 대소 관계를 비교하는 제2단계;
    상기 제1단계와 상기 제2단계에서의 대소관계의 반전 여부를 판단하는 제3단계;를 더 포함하는 시료 변화 감지 방법.
11. 제10항에 있어서,
    상기 제1단계와 상기 제2단계에서의 대소관계가 반전된 경우 색이 변화되었음을 출력하는 단계;를 포함하는 시료 변화 감지 방법.
12. 제10항에 있어서,
    상기 제1단계와 상기 제2단계에서의 대소관계가 반전되지 아니한 경우 시료의 농도가 변화되었음을 출력하는 단계;를 포함하는 시료 변화 감지 방법.

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