KR102477678B1 - 액체 중의 ndir 글루코스 검출 - Google Patents

액체 중의 ndir 글루코스 검출 Download PDF

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Abstract

글루코스 센서는 반사 기술을 통해 산란 잡음이 감소되고 흡수 간섭 잡음(AIN)이 억제되는 NDIR의 사용을 통해 체내의 글루코스 분자를 측정한다. 신호, 간섭 및 참조 소스로부터의 펄스형 빔이 액체 시료 기질의 스폿의 수직선에 대해 경사각으로 지향된 후에 수득되는 반사된 신호/참조 채널 및 간섭/참조 채널에 대한 평균 비율 값을 수득하기 위해 신호 처리가 사용된 후 보정 곡선이 유효한지를 결정한 후에 액체 시료 기질 중의 글루코스 농도 글루코스의 출력을 제공하도록 전자 장치가 사용된다. 신호, 간섭 및 참조 소스는 충분히 고속인 적어도 N Hz의 미리 선택된 주파수로 각각 펄스화됨으로써, 글루코스의 주어진 분자 또는 간섭 분자가 미리 선택된 주파수 내에서 액체 시료 기질의 안과 밖으로 들락거리지 않게 한다.

Description

액체 중의 NDIR 글루코스 검출
본 발명은 액체 백그라운드 흡수에 의한 탐침 에너지의 약화, 표적 분자에 의한 약한 흡수를 완화하는 액상 중의 분자를 검출하기 위한 개선된 비분산형 적외선(NDIR) 흡수 방법, 및 반사 검출 기술을 통한 산란 및 흡수 간섭 잡음(AIN) 모두의 억제에 관한 것이다.
비분산형 적외선(NDIR)은 대기 중의 가스를 검출하기 위한 통상적인 측정 원리이다. NDIR 센서는 다양한 가스 분자가 적외선 방사선 스펙트럼의 특정 파장에서 상당한 흡수를 나타내는 원리를 이용한다. 본원에서 사용되는 바와 같은 "비분산형"이란 용어는 측정될 가스의 강한 흡수 대역과 일치하는 특정 파장 대역의 방사선을 측정 목적으로 분리시키기 위해 사용되는 장치로서, 프리즘 또는 회절 격자와 같은 분산형 요소가 아닌, 전형적으로 협대역 광학 또는 적외선 전송 필터를 지칭한다.
본 발명은 가스 중이 아니라, 액체 매질 중의 분자를 검출하기 위해 NDIR을 사용함으로써 발생하는 문제를 해결하는 것에 관한 것이다.
이러한 목적과 추가적인 목적 및 이점은 이하에서 설명되는 본 발명의 상세한 설명 및 도면과 관련하여 당업자에게 명백해질 것이다.
본 발명은 일반적으로 적어도 하나의 간섭 분자(MJ)가 NDIR 방법에서 사용된 신호 파장의 방사선을 흡수하는 경우, NDIR을 사용함으로써 액상 중의 선택된 분자(M)의 시료 농도를 결정하기 위해 유용한 장치에 관한 것이다. 하나 이상의 간섭 분자(MJ)에 의한 흡수를 보정하기 위해, 간섭 소스라고 불리는 제3 소스가 추가된다. 신호 소스는 표적 분자(M)의 제1 흡수 대역 내에 있는 파장의 방사선을 방출하고, 간섭 소스는 상기 적어도 하나의 간섭 분자(MJ)의 제2 흡수 대역 내에 있는 간섭 파장의 방사선을 방출하며, 참조 빔은 제1 흡수 대역 또는 제2 흡수 대역 내에 있지 않고 중성인 참조 파장의 방사선을 방출한다. 신호 소스, 간섭 소스 및 참조 소스는 충분히 고속인 적어도 N Hz(예를 들어, 적어도 10%의 충격 계수(duty factor)를 갖는 10 KHz 이상)의 미리 선택된 주파수로 각각 펄스화됨으로써, 표적 분자(M) 또는 간섭 분자(MJ) 중 주어진 분자가 미리 선택된 주파수 내에서 액체 시료 기질의 안과 밖으로 들락거리지 않도록 한다. 이러한 방법은 NDIR 기술이 미국 특허 제9,606,053호에 개시된 바와 같은 기상 중이 아니라 액상 중의 분자를 검출하기 위해 사용되는 경우 산란 잡음을 크게 억제할 것이다.
신호 소스, 간섭 소스 및 참조 소스는 합파기(multiplexer) 내로 펄스화되고, 스폿(spot)에서 액체를 함유하는 시료 공간의 수직선에 대해 경사각(π/2 - θi)으로 지향되는 펄스형 빔으로 시준된다. 검출기는 스폿으로부터 나온 후에 펄스형 신호로서 적외선 방사선을 검출한다. 신호 처리 전자 장치는 각각 파장(λS 및 λJ)에서 이의 농도(CN)의 함수로서 액체 중의 표적 분자의 투과율을 측정함으로써, 흡수 계수
Figure 112019063304628-pct00001
및
Figure 112019063304628-pct00002
를 생성하기 위해 사용된다. 액체의 조건이 파라미터(β)로 지정됨으로써, 일단 그것이 분석적으로 결정되면, 미국 특허 제9,726,601호에 개시된 바와 같은 흡수 간섭 잡음(AIN)을 억제하기 위해 액체 중의 표적 분자에 대한 보정 곡선(
Figure 112019063304628-pct00003
)이 설정될 수 있다.
본 발명의 목적은, 간섭 분자가 존재하는 액체 중의 글루코스(glucose) 분자를 NDIR을 통해 측정하기 위해, 산란 잡음 및 흡수 간섭 잡음(AIN) 모두의 억제 이점들을 유지하는 반사 시료 기술을 사용함으로써, 기능적이고 실용적인 글루코스 센서 설계를 추가로 제공하는 것이다.
도 1은 신호 다이오드 레이저 및 참조 다이오드 레이저가 고속 파형 발생기에 의해 교대로 그리고 연속적으로 구동되는 방식을 도시한다.
도 2는 신호 다이오드 레이저 및 참조 다이오드 레이저의 출력들이 광 합파기의 사용을 통해 두 다이오드 레이저들을 나타내는 단일 방사선 빔으로 교대로 그리고 연속적으로 결합되는 방식을 도시한다.
도 3은 액체 기질을 수용하는 시료 챔버를 통과한 후에 적외선 검출기까지의 결합된 신호 및 참조 다이오드 레이저 빔의 궤적 및 추가적인 선택적 광학 요소들을 도시한다.
도 4는 최종 데이터 처리 및 분석을 위해 컴퓨터에 이들을 입력하기 전에 아날로그 적외선 검출기 신호를 디지털 데이터로 변환하기 위한 단계들을 도시한다.
도 5는 디지털화 이전의 결합된 레이저 빔에 대한 아날로그 검출기 출력, 그리고 신호 및 참조 다이오드 레이저를 구동하기 위한 아날로그 전압 출력들을 도시한다.
도 6은 100 c.c.당 밀리그램(mg/dL)으로 측정된 액체 중의 입자 농도 레벨의 함수로서 신호 및 참조 빔에 대한 센서 출력 비율(Rave(t))을 도시하는 NDIR 액체 센서를 위한 보정 곡선을 예시한다.
도 7은 파장의 함수로서 표적 분자(M) 및 간섭 분자(MJ(MJ1 및 MJ2))에 대한 정규화된 흡수 계수를 도시한다.
도 8은 간섭 분자에 의해 야기된 흡수 간섭 잡음(AIN)이 존재하지 않는 흡수 계수의 함수로서 분자(M)의 농도에 대한 보정 곡선들(
Figure 112019063304628-pct00004
)의 세트를 도시한다.
도 9는 신호 다이오드 레이저, 참조 다이오드 레이저 및 간섭 다이오드 레이저가 3채널 고속 파형 발생기에 의해 교대로 그리고 연속적으로 구동되는 방식을 예시하는 광학 셋업을 도시한다.
도 10은 액체 시료 중의 표적 분자의 농도를 결정하기 위한 본 발명에 따른 광학 반사 시스템의 설계를 도시한다.
도 11은 신호 다이오드 레이저, 참조 다이오드 레이저 및 간섭 다이오드 레이저가 3채널 고속 파형 발생기에 의해 교대로 그리고 연속적으로 구동되고 광 합파기에 의해 단일 방사선 빔으로 섬유-결합되는 방식을 예시하는 광학 셋업을 도시한다.
도 12는 액체 중의 글루코스 분자의 농도를 결정하기 위한 본 발명에 따른 효율적이고 실용적인 반사 센서의 설계를 도시한다.
기상 중의 분자를 검출하기 위해 사용되는 NDIR 센서는 전형적으로 방사선을 시료 챔버를 통하여 검출기로 전송하는 적외선 소스를 이용하며, 검출기는 검출될 가스의 흡수 대역과 일치하는 방사선만을 통과시키는 스펙트럼 필터를 갖는다. 이러한 NDIR 센서의 잡음 원인은 주로 소스, 검출기, 및 센서 환경의 온도에서 비롯된다.
전통적인 NDIR 기술은 잡음을 감소시키기 위해 이중 빔 구성을 사용한다. 신호 채널이라 불리는 제1 채널은 표적 가스를 검출하도록 선택된 흡수 파장, 및 표적 가스의 흡수와 일치하는 제1 필터를 갖는 제1 검출기를 사용한다. 참조 채널이라 불리는 제2 채널은 표적 가스의 흡수와 결코 일치하지 않는 제2 필터를 갖는 제2 검출기와 함께, 흡수 파장에 근접하게 위치된 (표적 가스가 흡수하지 않는) 중성 파장을 사용한다. 동일한 소스로부터 방출되는 방사선에 대해 2개의 상이한 검출기가 있기 때문에, 신호 채널 및 참조 채널은 2개의 상이한 빔 경로를 갖는다. 이론적으로는, 신호 채널에 잡음을 도입할 수 있는 모든 비-가스 현상에 의해 신호 채널이 동일하게 영향을 받으므로, 2개의 채널(즉, 신호 채널 및 참조 채널)의 출력들의 비율을 구함으로써, 센서에 필연적으로 존재하는 모든 잡음 유발 요인을 최소화할 수 있다. 따라서, 이상적으로는, 광로에서의 표적 가스의 존재만이 비율에 영향을 줄 것이다. 이중 빔 구성이 이와 같이 잡음 감소에 효과가 있는 이유는 기상 중의 입자들이 그들 사이에 많은 공간을 두고 서로 매우 잘 분리되어 있기 때문이다. 가스 분자는 전형적으로 매우 빠르게 돌아다니며, 대략 ~500 m/s의 분자 속도를 갖는다. 결과적으로, 어떠한 특정한 본능으로, (검출을 위한 표적이 되는 분자들을 포함하는) 매우 적은 수의 분자들만이 소스와 검출기들 사이에 있음을 인지하게 된다. 이는 원치 않는 산란으로 인해 외부에서 비롯된 잡음이 매우 적다는 것을 인지하여 다른 전통적인 잡음 원인들과 비교할 때 무시될 수 있는 이러한 특정한 입자 환경 때문이다.
NDIR을 사용하여 액체 중의 분자를 검출하고자 하는 경우, 새로운 잡음 원인이 도입될 것이며, 즉 기상 중의 분자 밀도와 액상 중의 분자 밀도 간의 차이로 인한 산란을 통해 도입될 것이다. 소스와 검출기들 사이에 있는 분자들에 의한 소스 방사선의 산란은 분자들 사이의 많은 양의 자유 공간으로 인해 가스 매질에서는 중요한 잡음 원인이 아니지만, 분자들 사이의 자유 공간이 크게 감소되는 액상에서 중요한 잡음 원인이 될 수 있다.
기상 및 액상에서 만연한 상이한 입자 환경으로 인해, 입자의 검출을 위한 NDIR 흡수 기술은 기상에서는 효과가 있지만 액상에서는 그렇지 않다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 본 발명은 NDIR 흡수 기술을 기상에서와 매우 유사하게 액상에서 작용하게 하는 방법 및 장치를 제시하기 위한 전례 없는 접근법을 취한다. 신호 채널의 파장에서 약간 벗어난 중성 파장으로 작동하는 제2 채널의 사용을 포함하는 전통적인 NDIR 흡수 기술의 동일한 이중 빔 구성을 따른다. 2개의 채널(즉, 신호 및 참조)로부터의 신호 출력들의 비율을 처리함으로써, 센서의 성능에 영향을 주는 오차 유발 요인 중 일부는 액상에서 동일한 기술을 사용하는 경우 이들이 유사하게 제거되는 것처럼, 예상대로 제거될 것이다. 본 방법의 추가적이고 고유한 특징은 신호 및 참조 빔 모두가 측정 동안 거의 정확히 동일한 입자 환경에 직면하는 센서 하드웨어 구성을 제공하는 것이다. 이는 이하의 4가지 단계를 실행함으로써 달성된다.
제1 단계는 각각 그 자신의 펄스형 소스를 통해 신호 빔 및 참조 빔을 개별적으로 작동시키는 것이다. 또한, 두 빔들의 소스들은 약 20 내지 25%의 충격 계수를 갖는 전형적으로 10 KHz보다 더 높은 초단파 레이트로 동일하게 펄스화된다. 이러한 높은 펄스 주파수 요건으로 인해, 반도체 LED 및/또는 다이오드 레이저 소스만으로 충분할 것이다.
제2 단계는 신호 소스 및 참조 소스의 출력들이 하나씩 교대로 그리고 순차적으로 턴 온되어, 특히 바람직한 실시형태에서, 시간에 따른 이들의 펄스화 기간의 절반 이하로 분리되도록 하는 방식으로 신호 소스 및 참조 소스의 출력들을 타이밍하는 것이다. 또한, 이들 2개의 소스의 출력들이 동일한 기능을 수행하는 합파기 또는 다른 수단을 통해 광학적으로 결합됨으로써, 신호 및 참조 빔은 단일 적외선 검출기에 의해 검출되기 전에 액체 기질의 동일한 공간을 물리적으로 횡단하게 된다. 검출기는 신호 및 참조 빔으로부터의 급속하게 입사하는 방사선 펄스들로부터 정확한 신호 출력들을 적절하게 생성하기에 충분히 빠른 응답 시간을 가질 필요가 있다.
제3 단계는 신호 채널 및 참조 채널의 파장을 선택하는 것이다. 신호 채널에 대한 파장 선택은 측정될 표적 입자의 흡수 대역과 일치되어야 한다. 참조 채널에 대한 파장은 중성이지만 흡수에서 약간 벗어나고 가급적 이에 근접하지만 결코 이와 일치해서는 안된다. 참조 채널에 대한 파장을 선택하는 이러한 방식은 산란을 위해 동일한 입자 환경이 신호 빔 및 참조 빔 모두에 대해 거의 동일하도록(이들의 파장들이 거의 동일한 경우) 보장하는 것과 관련이 있다. 이는 탄성 산란이 입사 빔의 방사선의 파장의 함수라는 점 때문이다.
제4 단계는 검출기에 의해 수신된 데이터를 처리하는 것으로서, 액체 중의 입자의 농도 레벨을 수득하기 위해 보정 절차가 수행되는 방식을 설명한다. 신호 빔 및 참조 빔이 N Hz(N>104)로 교대로 그리고 연속적으로 펄스화되는 경우, 각각 생성된 신호 채널 출력 및 해당 참조 채널 출력에 대해 비율 값 "R"이 계산되며, 즉 R = 신호/참조이다. N Hz의 펄스 레이트에서, 매초마다 N개의 그러한 비율 값이 생성될 것이다. "t"의 미리 선택된 펄스화 시간 기간(여기서, "t"는 초 단위임) 동안, N x "t"개의 비율 값이 생성될 것이다. 이러한 시간 기간 "t" 동안 R의 평균값, 즉, Rave(t)는 액체 중의 입자의 농도와 대비하여 보정된다. 따라서, 검출기 출력을 분석하기 위한 신호 처리 기술을 사용함으로써 수득된 Rave(t) 값은 액체 중의 입자의 농도 레벨을 산출한다.
본 발명은 액상 중의 분자의 밀도가 매우 높더라도, 그 안에서 돌아다니는 분자의 속도는 매우 느리다는 점(전형적으로 ~5 mm/초)을 이용한다. 따라서, 시료 기질의 단면적이 대략 수 mm2라고 가정하면, 분자가 시료 영역의 안과 밖을 여러 번 들락거리는데 걸리는 시간은 대략 수백 밀리초이다. 따라서, 신호 빔과 참조 빔 사이의 측정 시간이 대략 수십분의 1 밀리초인 경우, 측정 동안 두 빔이 횡단하는 입자 환경은 거의 변하지 않거나 실질적으로 동일한 것으로 간주될 수 있다. 즉, 액상에 대해 위에서 설명된 제1 내지 제4 단계가 실행될 때 이들 각각의 측정 동안에 신호 채널 및 참조 채널에 대한 입자 환경이 거의 변하지 않기 때문에, 원치 않는 산란 현상이 두 빔 모두에 대해 거의 동일하게 유지되어야 하고, 산란에 기인하는 잡음의 결과적인 현저한 감소 및 억제가 액상 시료 환경에서 발생한다.
도 1 내지 도 4는 소스와 검출기 사이의 액체 기질 중의 다수의 이동성 입자의 존재로 인한 원치 않는 산란 잡음을 억제함으로써, 액상에서 실행 가능한 NDIR 흡수 기술을 제공하는 방법을 구현하기 위해 사용되는 특별히 설계된 장치를 개략적으로 도시한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 신호 다이오드 레이저(4) 및 참조 다이오드 레이저(5)를 각각 구동하기 위한 전압 펄스들(2 및 3)을 교대로 그리고 연속적으로 생성하기 위해 2채널 고속 파형 발생기(1)(> 10 KHz)가 사용된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 다이오드 레이저(4) 및 다이오드 레이저(5) 모두의 출력들은 광섬유(6 및 7)에 각각 인터페이스된다. 신호 다이오드 레이저(4)의 좁은 스펙트럼 출력은 액체 기질에서 검출될 표적 입자의 흡수 대역과 일치하도록 선택된다. 그러나, 참조 다이오드 레이저(5)의 좁은 스펙트럼 출력은 검출될 액체 기질 중의 표적 입자의 흡수 대역에서 벗어나지만 이에 근접하게 선택된다.
도 2는 신호 레이저 빔(4) 및 참조 레이저 빔(5)의 출력들이 적외선 검출기 상에 집속되기 전에 단일 방사선 빔으로 공간적으로 결합되는 방식을 도시한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 신호 레이저 빔(6)의 출력 및 참조 레이저 빔(7)의 출력은 시준 렌즈(10)에 의해 평행 빔(11)으로 시준되기 전에 단일 방사선 빔(9)을 형성하도록 광 합파기(8)에서 결합된다.
도 3은 평행 방사선 빔(11)(도 2 참조)이 적외선 검출기에 도달하는 방식을 도시한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 도 1의 2채널 고속 파형 발생기(1)에 의해 교대로 그리고 연속적으로 턴 온되는 (사실상 신호 레이저 빔(6) 및 참조 레이저 빔(7) 모두를 포함하는) 단일 평행 빔(11)은, 잡음 감소(필요한 경우)를 위해 선택적인 필터 또는 윈도우(13)를 통과한 후에 TE-냉각식 적외선 검출기(14) 상에 입사하기 전에 액체 기질을 수용하는 시료 챔버(12)를 먼저 횡단한다.
도 4에 도시된 바와 같은 신호 처리를 위해, 적외선 검출기(14)의 출력은 먼저 트랜스임피던스 증폭기(15)에 공급되고, 그 출력은 고속 클록(17) 및 파형 발생기(1)(도 1 참조)에 의해 트리거되는 18비트 아날로그 대 디지털 변환기(16)에 입력된다. 아날로그 신호는 데이터 분석을 위해 디지털 신호가 컴퓨터(19)에 공급되기 전에 오실로스코프(18)에 의해 모니터링될 수 있다. 계산된 비율 값은 알려진 화합물 농도 값과 교차 참조된다. 이러한 화합물 농도 값은 평판 디스플레이와 같은 출력 장치에 개별적으로 보고될 수 있다. 시간 경과에 따라 값들이 수집됨에 따라, 시간 경과에 따른 추세를 도시하기 위해 그래프 형식으로 값들이 표시될 수 있다. 연속적인 화합물 농도 값들은 일 실시예로서, 더 원활한 데이터 추적을 위해, 시간 경과에 따라 평균할 수 있다. 데이터 출력은 블루투스 또는 와이파이 표준과 같은 무선 또는 유선 인터페이스에 의해 검출기 전자 장치로부터 외부 장치로 전송될 수 있다.
도 5는 오실로스코프(18)(도 4 참조)에 의해 모니터링되는 바와 같은 아날로그 출력을 나타낸다. 도 5에 도시된 바와 같이, 오실로스코프 디스플레이의 상부 2개의 트레이스(20 및 21)는 신호 다이오드 레이저(4) 및 참조 다이오드 레이저(5)를 각각 구동하기 위해 고속 파형 발생기(1)에 의해 교대로 그리고 연속적으로 생성된 전압 펄스(2 및 3)이다(도 1 참조). 오실로스코프 디스플레이의 하부 트레이스(22)는 적외선 검출기(14)(도 3 참조)로부터의 신호 레이저 빔(23) 및 참조 레이저 빔(24)의 아날로그 출력들을 교대로 나타낸다.
초기 데이터 조작 후에 적외선 검출기로부터 컴퓨터에 의해 수신된 디지털 데이터의 처리는 다음과 같이 진행된다. 측정 시간 기간 "t"(여기서, "t"는 초 단위임) 동안 신호 채널 및 참조 채널 모두가 N Hz(N > 104)로 펄스화되는 경우, N x t개의 신호 채널 출력들 및 동일한 개수의 참조 채널 출력들이 적외선 검출기에 의해 생성될 것이다. 비율 값 "R"은 각각 생성된 신호 채널 출력 및 해당 참조 채널 출력에 대해 계산되며, 즉 R = 신호 출력/참조 출력이다. 측정 시간 기간 't' 동안 계산된 R의 N x t개의 비율 값들에 대해, 평균값, 즉 Rave(t)가 계산된다. 계산된 Rave(t) 값은 시간 기간 "t"에서 액체 중의 입자들의 평균 농도 레벨에 대한 측정 신호를 나타낸다. 액체 중의 입자들의 평균 농도 레벨과 대비한 Rave(t)의 측정 값에 대한 신호 대 잡음비(S/N)는 미리 선택된 시간 기간 "t" 값의 함수임을 유의하는 것이 중요하다. 미리 선택된 측정 시간 기간 "t"가 더 길수록, 이의 측정 값에 대해 평균할 더 많은 수집 데이터가 있기 때문에 Rave(t) 값에서의 잡음이 더 적어진다.
도 6은 100 cc당 밀리그램(mg/dL)으로 측정되는 액체 중의 평균 입자 농도 레벨 "D"의 함수로서 미리 선택된 특정 측정 시간 기간 "t" 동안의 Rave(t) 값을 나타내는 그래프(25)를 도시한다. 도 6에서 알 수 있는 바와 같이, 그래프(25)는 본질적으로 NDIR 액체 센서에 대한 입자 농도 레벨의 보정 곡선이다. 이러한 보정 곡선은 그 안에 있는 특정 입자들의 상이한 농도들이 결정될 액체를 먼저 선택함으로써 획득된다. 그 다음, 액체 중의 상이한 입자 농도 레벨들을 갖는 시료들이 준비된다. 그 다음, 보정을 위해 측정 시간 기간 "t"가 선택된다. 측정 절차에 대해 앞서 설명된 4개의 단계를 실행함으로써, 액체 중의 각각의 시료 농도에 대해 Rave(t) 값이 결정된다. 도 6에 도시된 바와 같은 그래프(25)는 미리 선택된 측정 시간 기간 "t"와 함께 액체 중의 입자들의 농도 레벨들의 함수로서 Rave(t) 값을 나타낸다.
산란 잡음을 억제하기 위한 본 발명의 개념이 검토되었으므로, 도 7에 도시된 바와 같은 중첩되는 흡수 대역들을 갖는 분자들과 혼합된 액체 중의 표적 분자들을 검출하기 위해 NDIR이 사용되는 경우 다른 잡음 원인이 발생한다. 이러한 새로운 흡수 간섭 잡음(AIN)을 억제하기 위한 본 발명의 개념이 이제 검토될 것이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 표적 분자(M)는 1,150 nm(λS)의 흡수 대역을 가지며, 간섭 분자(MJ(MJ1 및 MJ2))는 ~1,200 nm(λJ) 및 중첩되는 λS의 흡수 대역을 갖는다. 이러한 경우, 간섭 분자(MJ1 및 MJ2)는 완화되지 않는다면 표적 분자(M)에 대한 투과율 측정에 영향을 주는 흡수 간섭 잡음(AIN)을 생성할 것이다.
베르-람베르트 법칙에 따라, 액체 시료와 같은 매질을 통과하는 특정 파장 λS에서의 광의 투과율은 다음과 같이 표현된다:
Figure 112019063304628-pct00005
및
Figure 112019063304628-pct00006
여기서, I0는 초기 광도이고, I는 매질을 통과한 후의 강도이며, T는 투과율이고, α는 흡수 계수이며, OD는 광학적 깊이이다. 액체 시료 중에 하나보다 많은 유형의 분자가 존재하는 경우, 시료를 통과하는 파장 λS에서의 총 흡수율 또는 복합 투과율은 다음과 같이 분자들의 개별 광학적 깊이들의 합계와 관련된다:
Figure 112019063304628-pct00007
여기서,
Figure 112019063304628-pct00008
은 총 광학적 깊이이고, Ci 및 αi는 각각 상이한 분자들 "i"의 분자 농도 및 흡수 계수이며, L은 공통 광로 또는 시료 셀 경로 길이이다.
위의 수식 (2)는
Figure 112019063304628-pct00009
양, 투과율, 표적 분자(M)의 농도 CM 및
Figure 112019063304628-pct00010
, 액체 시료 중의 표적 분자(M)의 흡수 계수 간에 고유한 관계가 존재함을 의미한다. 또한, 액체 중의 표적 분자(M)의 흡수 계수 및 혼합된 간섭 분자(MJ)의 흡수 계수는 측정된 총 투과율에서 개별적인 부분들로서 별개로 나타난다, 즉:
Figure 112019063304628-pct00011
이러한 인식은 AIN 잡음이 없는 액체 시료의 측정된 총 투과율과 대비하여 표적 분자(M)의 농도를 보정하기 위해 활용된다.
표적 분자(M)가 액체 시료에서 λS에 위치된 중심 파장(CWL)을 갖는 흡수 대역을 갖고, 이의 농도(CM)가 이의 흡수 계수
Figure 112019063304628-pct00012
(여기서,
Figure 112019063304628-pct00013
는 λS로 측정된 투과율임)를 통해 광학적으로 결정되는 경우를 고려한다. 표적 분자(M)와 공존하는 것은 파장 λS와 중첩되는 흡수 대역들을 갖는 상이한 유형들의 분자들(MJ)이다. 이러한 상황에서, 분자들(MJ)은 액체 중의 표적 분자들(M)의 농도에 도달하기 위해 흡수 계수
Figure 112019063304628-pct00014
를 결정하기 위한 λS에서의 투과율 측정에 대해 흡수 간섭 잡음(AIN)을 생성할 것이다.
λS와 중첩되는 동시에, 하나 이상의 간섭 분자(MJ)의 흡수 대역이 존재하는 스펙트럼 위치에서 파장 λJ를 갖는 추가적인 근적외선 간섭 빔을 선택하여 활용함으로써, 흡수 간섭 잡음(AIN)의 억제를 달성하는 보정 방법이 전개될 수 있다. 간섭 분자(MJ)는 파장 λJ에서 소정의 흡수를 가져야 하고, λS에서 소정의 중첩되는 흡수를 또한 가져야 함을 유의한다. 또한, 파장 λX를 갖는 추가적인 NIR 간섭 빔을 활용함으로써, 임의의 추가적인 수의 혼합된 간섭 분자(MX)가 처리될 수 있다.
좁은 방사선 빔으로 λJ에서 투과율 측정을 수행함으로써, 간섭 분자(MJ)의 흡수 계수(즉,
Figure 112019063304628-pct00015
)만이 측정된다. λS에서의 간섭 분자(MJ)의 흡수 계수(즉,
Figure 112019063304628-pct00016
)는 영향을 받지 않는다. 그러나, 측정된 흡수 계수들(
Figure 112019063304628-pct00017
및
Figure 112019063304628-pct00018
)은 액체 시료에 존재하는 특정 물리적 조건에 따라 서로 관련된다. 이들의 개별 값들은 2개의 상이한 파장들(λJ 및 λS)에서의 이들의 흡수 강도에 의해서만 좌우된다. 즉, 다음과 같이 표현할 수 있다:
Figure 112019063304628-pct00019
여기서, β는 액체 시료의 특정 물리적 조건을 정의하는 파라미터이며, 그 값은 분자(MJ)의 흡수 계수가 λS에서보다 파장 λJ에서 더 강한 경우 1 미만이다.
Figure 112019063304628-pct00020
및
Figure 112019063304628-pct00021
모두는 동일한 분자(MJ)를 지칭하지만 상이한 파장들로만 측정되기 때문에, 액체 시료 중의 분자(MJ)의 농도가
Figure 112019063304628-pct00022
값을 변화시킬 수 없다. 그러나, β 값은 액체 시료의 물리적 조건에 따라 좌우된다.
Figure 112019063304628-pct00023
및 β의 값들이 알려지면, 위의 수식 (4)를 사용함으로써
Figure 112019063304628-pct00024
를 계산할 수 있다. 그러나,
Figure 112019063304628-pct00025
가 알려져 있다면, 이제 액체 시료 중의 MJ의 존재 및 이의 농도와 무관하게
Figure 112019063304628-pct00026
의 측정을 통해 수식 (3)으로부터
Figure 112019063304628-pct00027
가 결정될 수 있다. 이러한 상황에서, 액체 시료 중의 MJ의 존재에 의해 야기되는 흡수 간섭 잡음(AIN)은 액체 시료 중의 분자(M)의 농도가 측정되는 경우 크게 억제되거나 제거될 것이다.
흡수 간섭 잡음(AIN)을 억제하는 이러한 보정 방법의 구현은 이제 다음과 같이 더 상세하게 제시될 수 있다. 위의 수식 (1)에서 상술된 바와 같은 베르-람베르트 법칙에 따라, "β"로 정의된 특정 물리적 조건에서 액체 시료 중의 분자들(M)의 상이한 농도들(CN)은 다음과 같이 표현될 수 있다:
농도 C1에 대해
Figure 112019063304628-pct00028
농도 C2에 대해
Figure 112019063304628-pct00029
.
.
.
농도 CN에 대해
Figure 112019063304628-pct00030
(5)
여기서,
Figure 112019063304628-pct00031
는 농도 CN을 갖는 액체 시료 중의 분자(M)의 λS에서 측정된 총 투과율이고,
Figure 112019063304628-pct00032
는 농도 CN을 갖는 액체 시료 중의 분자(M)의 λS에서의 흡수 계수이며,
Figure 112019063304628-pct00033
는 액체 시료 중의 농도 CN을 갖는 분자(M) 및 간섭 분자(MJ)의 λJ에서의 흡수 계수이고, "β"는 위의 수식 (4)에서 정의된 바와 같이 액체 시료의 물리적 조건을 특성화하는 상수 파라미터이다. 위의 수식 (5)를 다음과 같이 대체하여 표현할 수 있다:
Figure 112019063304628-pct00034
여기서, CN은 액체 시료 중의 분자(M)의 상이한 농도를 나타낸다. 모든 CN에 대해,
Figure 112019063304628-pct00035
및
Figure 112019063304628-pct00036
모두가 파장 λS 및 λJ에서 각각 측정 가능하다. 그러나, 파라미터 β는 시료 액체의 알려지지 않은 물리적 조건에 따라 좌우되기 때문에, 액체 시료 중의 분자(M)의 흡수 계수
Figure 112019063304628-pct00037
는 도 8에 도시된 바와 같이, 이의 CN 및 "β"의 함수(즉,
Figure 112019063304628-pct00038
)로서만 보정될 수 있다.
보정 곡선들
Figure 112019063304628-pct00039
의 군, 즉 도 8에 도시된 바와 같이, 액체 시료의 상이한 물리적 조건 파라미터 "β"에 의해 지정되고 상이한 CN과 대비되는
Figure 112019063304628-pct00040
는, 액체 시료의 물리적 조건으로서 임의로 지정된 "β"= 0.2의 특정 값을 갖는 각각 λS 및 λJ에서의
Figure 112019063304628-pct00041
및
Figure 112019063304628-pct00042
의 측정 값과 대비하여 분자(M)의 농도(CN)를 보정함으로써 먼저 수득된다. 그 다음, 도 8에 도시된 바와 같이, 액체 시료의 상이한 물리적 조건들을 나타내는 "β"의 상이한 할당 값들을 갖는 이러한 측정된 보정 곡선을 통해 보정 곡선들의 군이 생성된다. 보정 곡선들의 군은 필요에 따라 β의 스케일을 감소시킴으로써 처음 측정된 보정 곡선으로부터 구성될 수 있음을 유의한다. "β" 값으로 표현되는 액체 시료의 물리적 조건이 알려져 있지 않기 때문에, 그 값은 액체 시료 중의 분자(M)의 농도의 후속적인 측정을 위해 해당 보정 곡선이 사용될 수 있기 전에 먼저 정확하게 결정되어야 한다. 이것은 알려진 농도(CN)의 분자(M)를 함유하는 특정 액체 시료에 대해
Figure 112019063304628-pct00043
및
Figure 112019063304628-pct00044
의 값들을 측정하고, 도 8에서 최상의 CN 값을 산출하는 β 값을 갖는 보정 곡선을 선택함으로써 달성된다. 이와 같이 선택된 보정 곡선은 그 안에 알려져 있지 않은 양의 간섭 분자(MJ)가 존재하는 경우에도 흡수 간섭 잡음(AIN)의 영향 없이, 액체 시료 중의 분자(M)의 농도에 대한 후속적인 측정을 위한 보정 곡선일 것이다.
현재 측정된
Figure 112019063304628-pct00045
값을 센서에 이전에 저장된 값과 비교함으로써, 센서에 대해 도 8의 선택된 특정 보정 곡선을 사용하기 전에 정확한 β 값이 검사될 수 있음을 유의한다. 이 값의 불변성은 액체 시료의 물리적 조건이 변경되지 않았고 도 8의 특별히 선택된 보정 곡선이 센서에 사용하기에 유효하다는 것을 의미한다.
가장 통상적인 액체의 주성분인 물은 근적외선(NIR) 스펙트럼 영역에 있는 파장을 갖는 방사선을 강력히 흡수한다는 것이 잘 알려져 있다. 앞서 설명된 바와 같이 NIR 스펙트럼 영역에 있는 흡수 대역을 갖는 액체 중의 분자를 검출하기 위해 NDIR 통과 흡수 시료 기술을 사용하는 것은, 물 흡수로 인해 방사선 소스로부터 검출기로의 이용 가능한 탐침 에너지의 감소 때문에 신호 대 잡음비(S/N) 성능이 크게 저하된다. 또한, 손목시계 스타일의 분자 농도 센서의 설계를 위해 NDIR 통과 흡수 시료 기술을 사용하는 것은 부적절하고 비효율적이다.
산란 잡음 및 흡수 간섭 잡음(AIN)을 모두 억제하기 위해 NDIR 통과 흡수 시료 기술을 사용하여 액체 중의 분자를 측정하기 위한 본 발명의 개념이 검토되었으므로, 물 흡수 및 센서의 부적절한 설계 문제들을 완화시키는 액체 중의 분자를 검출하기 위한 새로운 NDIR 반사 시료 기술이 이제 검토될 것이다.
도 9는 신호 다이오드 레이저, 참조 다이오드 레이저 및 간섭 다이오드 레이저가 3채널 고속 파형 발생기에 의해 두 그룹으로 교대로 그리고 연속적으로 구동되는 방식을 도시하는 광학 셋업이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 신호 다이오드 레이저(27)의 출력(26)은 한 쌍으로서 참조 다이오드 레이저(29)의 출력(28)과 교대로 그리고 연속적으로 구동된다; 한편, 간섭 다이오드 레이저(31)의 출력(30)은 다른 쌍으로서 참조 다이오드 레이저(29)의 출력(28)과 교대로 그리고 연속적으로 구동된다. 이는 λJ에서 측정되는 것과 본질적으로 동시에 λS에서 투과율이 측정될 수 있도록 수행되므로, 둘 모두가 본질적으로 동일한 산란 잡음 감소 이점을 가질 것이다. 산란 잡음 및 AIN 잡음 모두를 억제하기 위한 3개의 다이오드 레이저 시스템에 대한 광학 및 전자 처리 시스템 셋업의 나머지 부분은 미국 특허 제9,606,053호(2017년)에 개시된 2개의 다이오드 레이저 시스템과 동일하다.
도 10은 이의 투과율 "T"[위의 수식 (1) 참조]를 측정함으로써 액체 매질 중의 분자를 검출하기 위한 NDIR 반사 시료 기술을 사용하는 특별히 설계된 광학 시스템(32)을 개략적으로 도시한다. 이러한 광학 시스템은 그러한 측정을 위해 NDIR 흡수 기술을 사용하는 경우 통상적으로 직면하는 산란 잡음 및 흡수 간섭 잡음(AIN) 모두를 억제할 수 있다. 도 10은 신호 다이오드 레이저(λS)(33), 참조 다이오드 레이저(λR)(35) 및 간섭 다이오드 레이저(λJ)(37)가 두 그룹으로, 즉 (신호 레이저(33) 및 참조 레이저(35)를 한 쌍으로) 그리고 (간섭 레이저(37) 및 참조 레이저(35)를 다른 쌍으로) 3채널 고속 파형 발생기(40)에 의해 교대로 그리고 연속적으로 구동되는 방식을 도시한다. 도 10에 도시된 바와 같이, 신호 다이오드 레이저(33)의 출력(34)은 3채널 합파기(트리비너(tribiner))(39)에 광학적으로 결합된 한 쌍으로서 참조 다이오드 레이저(35)의 출력(36)과 교대로 그리고 연속적으로 구동된다. 한편, 간섭 다이오드 레이저(37)의 출력(38)은 동일한 트리비너(39)에 광학적으로 결합된 다른 쌍으로서 참조 다이오드 레이저(35)의 출력(36)과 교대로 그리고 연속적으로 구동된다.
파장 λS에서 시료 영역(42)(도 10 참조)의 스폿(41)에 위치한 액체 시료의 투과율 측정을 먼저 고려한다. 신호 레이저 다이오드(33)의 출력(34)은 광 합파기(트리비너)(39) 내로 결합된 다음, 그 출력(43)은 시료 영역 수직선(46)에 대해 경사각(θi)으로 시료 영역(42)의 스폿(41)에 충돌하기 전에 렌즈(44)에 의해 ~1.0 mm의 직경을 갖는 좁은 빔(45)으로 시준된다. 참조 다이오드 레이저(35)의 출력(36)은 동일한 광 합파기(트리비너)(39) 내로 결합된 다음, 그 출력(47)은 시료 영역 수직선(46)에 대해 경사각(θi)으로 시료 영역(42)의 동일한 스폿(41)에 충돌하기 전에 렌즈(44)에 의해 ~1.0 mm의 직경을 갖는 좁은 빔(45)으로 시준된다. 신호 빔(λS) 및 참조 빔(λR) 모두는 순차적으로 그리고 교대로 펄스화되고, 시료 영역(42)의 동일한 스폿(41)에서 본 발명에 사용되지 않는 빔(48)으로 정반사된다. 신호 빔(λS) 및 참조 빔(λR) 모두는 스폿(41)에서 시료 영역 표면(49)으로부터 나오기 전에 입사 방사선의 투과, 흡수 및 반사가 발생하는 시료 영역(42) 내로 짧은 거리를 관통한다. 스폿(41)으로부터 나오는 방사선은 신호 처리를 위해 렌즈(50)에 의해 검출기(51) 상에 집광된다. 본원에서 설명된 신호 빔(λS) 및 참조 빔(λR)에 대한 이러한 광학 측정 기술은 미국 특허 제9,606,053호(2017년)에 개시된 바와 같은 파장(λS)에서의 측정된 투과율 값에서 산란 잡음의 억제를 가능하게 한다.
이제 파장 λJ에서 시료 영역(42)(도 10 참조)의 스폿(41)에 위치한 액체 시료의 투과율 측정을 고려한다. 간섭 레이저 다이오드(37)의 출력(38)은 광 합파기(트리비너)(39)에 결합된 다음, 그 출력(52)은 시료 영역(42)의 수직선(46)에 대해 경사각(θi)으로 시료 영역(42)의 스폿(41)에 충돌하기 전에 렌즈(44)에 의해 ~1.0 mm의 직경을 갖는 좁은 빔(45)으로 시준된다. 참조 다이오드 레이저(35)의 출력(36)은 동일한 광 합파기(트리비너)(39)에 결합된 다음, 그 출력(47)은 시료 영역(42)의 수직선(46)에 대한 각도(θi)로 시료 영역(42)의 동일한 스폿(41)에 충돌하기 전에 렌즈(44)에 의해 ~1.0 mm의 직경을 갖는 좁은 빔(45)으로 시준된다. 간섭 빔(λJ) 및 참조 빔(λR) 모두는 스폿(41)에서 시료 영역 표면(49)으로부터 방사선이 나오기 전에 방사선 빔의 투과, 흡수 및 반사가 발생하는 시료 영역(42) 내로 짧은 거리를 관통한다. (외부 표면 스폿일 필요는 없지만, 다른 층 또는 재료 아래에 위치될 수 있는) 스폿(41)으로부터 나오는 방사선은 신호 처리를 위해 렌즈(50)에 의해 검출기(51) 상에 집광된다. 간섭 빔(λJ) 및 참조 빔(λR)에 대해 본원에서 설명된 이러한 광학 측정 기술은 미국 특허 제9,606,053호(2017년)에 개시된 바와 같은 파장(λJ)에서의 측정된 투과율 값에서 산란 잡음의 억제를 가능하게 한다.
표적 분자가 동일한 흡수 대역 특징과 중첩되는 일부 다른 종류의 분자와 혼합되는 액체 시료를 처리하기 위해 NDIR 반사 시료 기술을 사용하여 위에서 설명된 바와 같이 산란 잡음 및 AIN 잡음 모두를 억제하기 위한 신호 처리 절차는 NDIR 통과 흡수 시료 기술을 사용하기 위해 미국 특허 제9,726,601호에 개시된 것과 정확히 동일하다.
산란 잡음 및 흡수 간섭 잡음(AIN) 모두를 억제하기 위한 본 발명의 개념과 함께 더 효율적인 NDIR 반사 시료 기술이 검토되었으므로, 지금까지 설명한 이러한 원리는 이제 혈액 또는 간질액 중의 글루코스 농도를 결정하기 위한 비침습성 센서의 설계를 참조하여 상세히 설명될 것이다. 앞서 미국 특허 제9,678,000호 및 제9,726,601호에 개시된 바와 같이, 글루코스는 신호 빔에 대한 중심 파장(λS)으로서 사용될 수 있는 1,150 nm의 근적외선(NIR) 스펙트럼 영역에 위치한 오버톤(overtone) 흡수 대역을 갖는다. 이러한 흡수 대역은 ~1.0 cm-1 이하의 물 흡수 계수를 갖기 때문에 바람직하며, 이에 따라 소스로부터의 탐침 방사선의 약화를 최소화한다. 글루코스 또는 다른 분자 흡수가 없는 1,060 nm의 파장이 참조 빔에 대한 중심 파장(λR)으로서 사용될 수 있다. 마지막으로 지질 및 콜라겐과 같은 간질액 또는 혈액 중의 글루코스와 공존하는 특정 간섭 분자의 경우, 이러한 분자는 ~1,210 nm에서 흡수되고, 1,150 nm에서 글루코스의 신호 파장(λS)과 중첩된다. 따라서, 1,210 nm의 파장이 간섭 빔에 대한 중심 파장(λJ)으로서 선택될 수 있다.
도 11은 λS = 1,150 nm로 방출하는 신호 다이오드 레이저, λR = 1,060 nm로 방출하는 참조 다이오드 레이저, 및 λJ = 1,210 nm로 방출하는 간섭 다이오드 레이저가 두 그룹으로 교대로 그리고 연속적으로 3채널 고속 파형 발생기(53)에 의해 구동되는 방식을 예시하는 광학 셋업을 도시한다. 도 11에 도시된 바와 같이, 신호 다이오드 레이저(57)의 출력(56)은 한 쌍으로서 참조 다이오드 레이저(59)의 출력(58)과 교대로 그리고 연속적으로 구동되고, 3채널 합파기(트리비너)(54)에 광학적으로 결합된다. 한편, 간섭 다이오드 레이저(61)의 출력(60)은 다른 쌍으로서 참조 다이오드 레이저(59)의 출력(58)과 교대로 그리고 연속적으로 구동되고, 트리비너(54)에 또한 광학적으로 결합된다. 이러한 방식으로 3개의 다이오드 레이저를 작동시키는 방법은, 혈액 또는 간질액 중의 다른 간섭 분자와 공존하는 글루코스의 투과율이 (참조로서 λR과 함께) 파장들(λS 및 λJ)로 본질적으로 동시에 측정될 수 있도록 보장함으로써, 두 측정에서 직면하는 산란 잡음 및 흡수 간섭 잡음(AIN)이 본질적으로 동일하도록 하는 것이다. 도 11에 도시된 바와 같이, 신호 레이저 빔(λS), 참조 레이저 빔(λR) 및 간섭 레이저 빔(λJ)의 출력들은 3채널 합파기(트리비너)(54)에서 결합됨으로써, 추가로 처리되기 전에 렌즈(63)에 의해 좁은 평행 레이저 빔(64)으로 시준되는 단일 섬유 결합된 방사선 빔(62)을 형성한다.
각각 1,150 nm, 1,060 nm 및 1,210 nm의 신호(λS), 참조(λR) 및 간섭(λJ) 빔들에 대한 파장들의 전략적 선택, 및 혈액 또는 간질액 시료의 투과율을 측정하기 위해 이들이 구동 및 처리되는 방식은, 산란 잡음 및 흡수 간섭 잡음(AIN)의 치명적인 영향을 피하는, 지질, 콜라겐 등과 공존하는 간질액 또는 혈액 중의 글루코스 농도의 성공적인 비침습성 측정에 대한 본 발명의 개념의 구현에 중요하다. 본 발명의 추가적인 목적은 지질, 콜라겐 등과 같은 간섭 분자가 존재하는 간질액 또는 혈액 중의 글루코스 분자의 비침습성 농도 측정을 위해 산란 잡음 및 흡수 간섭 잡음(AIN) 모두의 감소를 달성할 수 있는 특별히 설계된 반사 센서 시스템을 제공하는 것이다. 또한, 본 발명은 당뇨병을 가진 사람들이 일상적으로 손가락을 찔러야 하는 고통을 덜어줄 수 있는 실행 가능하고 실용적인 비침습성 혈당 모니터를 제시하기 위하여, NIR 레이저 소스, 인듐 갈륨 비소(InGaAs) 광 검출기, 미세 전자 기계 시스템(MEMS), 복합 신호 처리 회로를 갖는 ASIC, 클라우드 기반 크리에이티브 소프트웨어, 및 나노칩 구조를 활용하는 소형 패키징 기술에 있어서 오늘날의 첨단 기술을 최대한 이용한다.
도 12는 (참조로서 λR과 함께) 파장들(λS 및 λJ)로 이의 총 투과율(
Figure 112019063304628-pct00046
및
Figure 112019063304628-pct00047
)을 각각 측정함으로써 혈액 또는 간질액 중의 글루코스 농도를 검출하기 위한 NDIR 반사 시료 기술을 사용하여 특별히 설계된 광 센서(65)를 개략적으로 도시하며, 여기서
Figure 112019063304628-pct00048
이고
Figure 112019063304628-pct00049
Figure 112019063304628-pct00050
이다.
Figure 112019063304628-pct00051
및
Figure 112019063304628-pct00052
양은 그 안에서 알려지지 않은 양의 지질 및 콜라겐과 공존하는 CN의 글루코스 농도 값을 갖는 (참조로서 λR과 함께) 파장들(λS 및 λJ)로 각각 측정된 혈액 또는 간질액의 흡수 계수이다.
도 12에 도시된 바와 같이, 치수가 ~3 cm x 6 cm x 1 cm인 광 센서(65)는 센서(65)가 사람의 피부 표면과 같은 표면(69) 상에 받쳐질 수 있게 하는 주변 에지(68)에 의해 한정된 더 작은 개방 바닥부(67)를 갖는 얇은 벽으로 둘러싸인 개방 상부 사각형 프레임(66)을 갖는다. 2개의 스트랩(70 및 71)은 프레임(66)의 2개의 짧은 측면 상에 각각 하나씩 있고, 힌지(72 및 73)에 의해 각각 유지된다. 스트랩(70 및 71)은 시계와 같이 사람의 손목 상에 또는 사람 피검자의 상부 팔을 따라 어디든지 그 위에 센서(65)를 고정시키기 위해 사용될 수 있다.
센서(65)의 모든 광학 구성 요소 및 전자 회로는, 박스 프레임(66) 위에 위치되어 이의 상부로서 작용하는 인쇄 회로 기판(PCB)(74) 상에 물리적으로 또는 땜납을 통해 장착된다. 앞서 도 11에서 상세히 설명된 바와 같은 센서(65)에 대한 광학 셋업의 모든 구성 요소는 도시된 바와 같이 PCB(74)의 좌측 상에 위치된다. PCB(74)의 좌측에서부터 시작하여, 75는 3채널 고속 파형 발생기이고, 그 다음에 λS, λR 및 λJ의 출력 파장을 각각 갖는 신호, 참조 및 간섭 레이저를 위한 3채널 전자장치 구동기 모듈(76)이 후속된다. 77은 3채널 합파기 또는 트리비너로서, 그 출력은 단일 방사선 빔(78)으로 섬유-결합된다. 빔(78)은 미러(81)에 의해 시료 영역(83)의 스폿(82)을 향해 반사되기 전에 렌즈(79)에 의해 평행 빔(80)으로 시준된다.
평행 빔(80)은 PCB(74)에 대해 경사각(θi)으로 시료 영역(83)의 스폿(82)에 충돌한다. 빔(80)은 스폿(82)에서 시료 영역(83)으로부터 나오기 전에 충돌 빔에 대한 투과, 흡수 및 반사가 발생하는 스폿(82)의 시료 영역(83) 내로 짧은 거리를 관통한다. 스폿(82)으로부터 나오는 방사선은 신호 처리를 위해 렌즈(84)에 의해 검출기(85) 상에 집광된다. 렌즈(84) 및 검출기(85) 둘 모두의 축은 스폿(82)의 시료 영역(83)의 수직선(86)과 정렬된다. 둘 모두는 스폿(82)의 시료 영역(83)과 마주하는 PCB(74) 상에 고정된 특수 하우징(87)에 장착된다.
3채널 고속 파형 발생기(75) 및 3채널 레이저 구동기 모듈(76)의 제어 및 작동을 포함하는 처리 전자 장치는 PCB(74)의 우측 상에 위치된다. 참조 빔(λR)과 조정하여 신호(λS) 및 간섭(λJ) 빔에 대한 투과율 측정의 로직 및 시퀀스를 제어하는 소프트웨어 및 처리 회로가 ASIC(88)의 CPU 내부에 설치되고, 메모리 칩(89)(도 12 참조)에 의해 지원된다. 센서(65)에 대한 작동 명령 및 제어와 함께 (즉각적인 및/또는 경향적인) 글루코스 측정 결과들이 디스플레이 칩(90)에 의해 제공된다. 센서(65)에 의해 접촉된 표면(69)의 온도를 모니터링하는데 사용되는 감온 소자(94)가 센서 프레임(66)의 하부 에지(68)에 위치되고 PCB(74)에 전기적으로 연결된다. 전체 센서(65)에 전력을 제공하기 위해 PCB(74) 아래의 센서 프레임(66) 내부에 배터리(91)가 수용된다. 마지막으로, PCB(74) 상에 장착된 모든 구성 요소는 그 위에 개구부(93)가 있는 디스플레이 칩(90)을 제외하고는 커버(92)에 의해 보호된다.
본 발명은 바람직한 실시형태를 참조하여 본원에서 설명되었지만, 이들 실시형태는 단지 실시예로서만 제시되었으며, 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다. 본 상세한 설명의 이점을 갖는 이들의 추가적인 실시형태는 당업자에게 명백할 것이다. 또한, 본 발명의 개념을 벗어나지 않고 대안적인 실시형태에서 추가적인 변형이 가능하다.

Claims (21)

  1. 적어도 하나의 간섭 분자(MJ)가 표적 분자와 공존하는 액체 시료 기질 중의 표적 분자(M)의 농도를 주어진 시간 기간 내에 결정하기 위한 방법으로서,
    신호 소스, 간섭 소스 및 참조 소스로부터의 적외선 방사선을 합파기 내로 펄스화하고, 상기 합파기에서 나오는 방사선을 상기 액체 시료 기질의 스폿의 수직선에 대해 경사각(θi)으로 지향되는 펄스형 빔으로 시준하는 단계;
    상기 스폿 내로 관통한 후의 상기 펄스형 빔으로부터 펄스형 신호 및 참조 채널 출력 그리고 펄스형 간섭 신호 및 참조 채널 출력으로서 상기 스폿으로부터 나온 후의 적외선 방사선을 검출기에 의해 검출하는 단계;
    상기 펄스형 신호 및 참조 채널 출력으로부터 미리 선택된 제1 시간 기간("t") 동안 Rave(t)의 평균 비율 값을 수득하도록 신호 처리를 사용하는 단계로서, 상기 미리 선택된 제1 시간 기간 동안 Rave(t) = 신호 채널/참조 채널 출력인, 단계;
    상기 펄스형 간섭 및 참조 채널 출력으로부터 미리 선택된 제2 시간 기간("t2") 동안 RJave(t2)의 평균 비율 값을 수득하도록 신호 처리를 사용하는 단계로서, 상기 미리 선택된 제2 시간 기간 동안 RJave(t2) = 간섭 채널/참조 채널 출력인, 단계;
    RJave(t2)를 사용하여 상기 주어진 시간 기간 동안 보정 곡선이 유효한지를 결정하는 단계;
    상기 보정 곡선이 유효한 경우, Rave(t) 및 상기 보정 곡선의 사용에 의해 상기 액체 시료 기질 중의 상기 표적 분자(M)의 농도를 계산하도록 전자 장치를 사용하는 단계; 및
    상기 액체 시료 기질 중의 상기 표적 분자(M)의 농도를 상기 전자 장치로부터의 출력으로서 제공하는 단계를 포함하며,
    상기 신호 소스는 상기 표적 분자(M)의 제1 흡수 대역 내에 있는 신호 파장의 방사선을 방출하고, 상기 간섭 소스는 상기 적어도 하나의 간섭 분자(MJ)의 제2 흡수 대역 내에 있는 간섭 파장의 방사선을 방출하며, 상기 참조 소스는 상기 제1 흡수 대역 또는 상기 제2 흡수 대역 내에 있지 않고 중성인 참조 파장의 방사선을 방출하고,
    상기 적어도 하나의 간섭 분자(MJ)는 상기 신호 파장의 방사선을 흡수하며,
    상기 신호 소스, 상기 간섭 소스 및 상기 참조 소스는 충분히 고속인 적어도 N Hz의 미리 선택된 주파수로 각각 펄스화됨으로써, 상기 표적 분자(M) 또는 상기 적어도 하나의 간섭 분자(MJ) 중 주어진 분자가 상기 미리 선택된 주파수 내에서 상기 액체 시료 기질의 안과 밖으로 들락거리지 않도록 하는,
    적어도 하나의 간섭 분자(MJ)가 표적 분자와 공존하는 액체 시료 기질 중의 표적 분자(M)의 농도를 주어진 시간 기간 내에 결정하기 위한 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 펄스형 빔은 상기 신호 소스 다음에 상기 참조 소스가 이어지고, 그 다음에 상기 간섭 소스가 이어지며, 그 다음에 상기 참조 소스가 이어지는 반복 패턴의 교대하는 그리고 순차적인 펄스화를 포함하는, 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 펄스형 빔은 상기 신호 소스, 상기 참조 소스 및 상기 간섭 소스의 반복 패턴의 교대하는 그리고 순차적인 펄스화를 포함하는, 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 N Hz의 주파수는 적어도 10%의 충격 계수를 갖는 1.0 KHz보다 더 큰, 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    t = t2인, 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 신호 소스로부터의 빔은 1,150 nm(1.150μ)의 신호 빔 중심 파장을 가지며, 상기 참조 소스로부터의 빔은 1,064 nm(1.064μ)의 중심 파장을 갖는, 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 간섭 소스로부터의 빔은 1,210 nm의 중심 파장을 갖는, 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 표적 분자(M)는 글루코스인, 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 간섭 분자(MJ)는 신체 간질액에 함유된 복수의 간섭 분자를 포함하는, 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 스폿으로부터 나오는 방사선은 렌즈에 의해 상기 검출기 상에 집광되는, 방법.
  11. 적어도 하나의 간섭 분자(MJ)가 표적 분자와 공존하는 액체 시료 기질 중의 표적 분자(M)의 농도를 주어진 시간 기간 내에 결정하기 위한 장치로서,
    신호 소스;
    간섭 소스;
    참조 소스;
    상기 신호 소스, 상기 간섭 소스 및 상기 참조 소스로부터의 적외선 방사선을 상기 액체 시료 기질의 스폿의 수직선에 대해 경사각(θi)으로 지향되는 펄스형 빔으로 펄스화하도록 구성된 합파기 및 시준기;
    상기 스폿 내로 관통한 후의 상기 펄스형 빔으로부터 펄스형 신호 및 참조 채널 출력 그리고 펄스형 간섭 신호 및 참조 채널 출력으로서 상기 스폿으로부터 나온 후의 적외선 방사선을 검출하도록 구성된 검출기;
    상기 펄스형 신호 및 참조 채널 출력으로부터 미리 선택된 제1 시간 기간("t") 동안 Rave(t)의 평균 비율 값을 수득하고(여기서, 상기 미리 선택된 제1 시간 기간 동안 Rave(t) = 신호 채널/참조 채널 출력임),
    상기 펄스형 간섭 및 참조 채널 출력으로부터 미리 선택된 제2 시간 기간("t2") 동안 RJave(t2)의 평균 비율 값을 수득하기 위한(여기서, 상기 미리 선택된 제2 시간 기간 동안 RJave(t2) = 간섭 채널/참조 채널 출력임), 신호 처리부;
    RJave(t2)를 사용하여 상기 주어진 시간 기간 동안 보정 곡선이 유효한지를 결정하고, 상기 보정 곡선이 유효한 경우, Rave(t) 및 상기 보정 곡선의 사용에 의해 상기 액체 시료 기질 중의 상기 표적 분자(M)의 농도를 계산하며, 상기 액체 시료 기질 중의 상기 표적 분자(M)의 농도를 출력으로서 제공하도록 구성된 전자 장치를 포함하며,
    상기 신호 소스는 상기 표적 분자(M)의 제1 흡수 대역 내에 있는 신호 파장의 방사선을 방출하고, 상기 간섭 소스는 상기 적어도 하나의 간섭 분자(MJ)의 제2 흡수 대역 내에 있는 간섭 파장의 방사선을 방출하며, 상기 참조 소스는 상기 제1 흡수 대역 또는 상기 제2 흡수 대역 내에 있지 않고 중성인 참조 파장의 방사선을 방출하고,
    상기 적어도 하나의 간섭 분자(MJ)는 상기 신호 파장의 방사선을 흡수하며,
    상기 신호 소스, 상기 간섭 소스 및 상기 참조 소스는 충분히 고속인 적어도 N Hz의 미리 선택된 주파수로 각각 펄스화됨으로써, 상기 표적 분자(M) 또는 상기 적어도 하나의 간섭 분자(MJ) 중 주어진 분자가 상기 미리 선택된 주파수 내에서 상기 액체 시료 기질의 안과 밖으로 들락거리지 않도록 하는,
    적어도 하나의 간섭 분자(MJ)가 표적 분자와 공존하는 액체 시료 기질 중의 표적 분자(M)의 농도를 주어진 시간 기간 내에 결정하기 위한 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 펄스형 빔은 상기 신호 소스 다음에 상기 참조 소스가 이어지고, 그 다음에 상기 간섭 소스가 이어지며, 그 다음에 상기 참조 소스가 이어지는 반복 패턴의 교대하는 그리고 순차적인 펄스화를 포함하는, 장치.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 펄스형 빔은 상기 신호 소스, 상기 참조 소스 및 상기 간섭 소스의 반복 패턴의 교대하는 그리고 순차적인 펄스화를 포함하는, 장치.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 N Hz의 주파수는 적어도 10%의 충격 계수를 갖는 1.0 KHz보다 더 큰, 장치.
  15. 제11항에 있어서,
    t = t2인, 장치.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 신호 소스로부터의 빔은 1,150 nm(1.150μ)의 신호 빔 중심 파장을 가지며, 상기 참조 소스로부터의 빔은 1,064 nm(1.064μ)의 중심 파장을 갖는, 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 간섭 소스로부터의 빔은 1,210 nm의 중심 파장을 갖는, 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 표적 분자(M)는 글루코스이며, 상기 적어도 하나의 간섭 분자(MJ)는 신체 간질액에 함유된 복수의 간섭 분자를 포함하고, 상기 스폿으로부터 나오는 방사선은 렌즈에 의해 상기 검출기 상에 집광되는, 장치.
  19. 적어도 하나의 간섭 분자(MJ)가 표적 분자와 공존하는 액체 시료 기질 중의 표적 분자(M)의 농도를 주어진 시간 기간 내에 결정하기 위한 장치로서,
    상기 표적 분자(M)는 글루코스이며, 상기 적어도 하나의 간섭 분자(MJ)는 신체 간질액에 함유된 복수의 간섭 분자를 포함하고, 상기 장치는,
    신호 소스;
    간섭 소스;
    참조 소스;
    상기 신호 소스, 상기 간섭 소스 및 상기 참조 소스로부터의 적외선 방사선을 상기 액체 시료 기질의 스폿의 수직선에 대해 경사각(θi)으로 지향되는 펄스형 빔으로 펄스화하도록 구성된 합파기 및 시준기;
    상기 스폿 내로 관통한 후의 상기 펄스형 빔으로부터 펄스형 신호 및 참조 채널 출력 그리고 펄스형 간섭 신호 및 참조 채널 출력으로서 상기 스폿으로부터 나온 후의 적외선 방사선을 검출하도록 구성된 검출기로서, 상기 스폿으로부터 나오는 방사선은 렌즈에 의해 상기 검출기 상에 집광되는, 검출기;
    상기 펄스형 신호 및 참조 채널 출력으로부터 미리 선택된 제1 시간 기간("t") 동안 Rave(t)의 평균 비율 값을 수득하고(여기서, 상기 미리 선택된 제1 시간 기간 동안 Rave(t) = 신호 채널/참조 채널 출력임),
    상기 펄스형 간섭 및 참조 채널 출력으로부터 미리 선택된 제2 시간 기간("t2") 동안 RJave(t2)의 평균 비율 값을 수득하기 위한(여기서, 상기 미리 선택된 제2 시간 기간 동안 RJave(t2) = 간섭 채널/참조 채널 출력임), 신호 처리부;
    RJave(t2)를 사용하여 상기 주어진 시간 기간 동안 보정 곡선이 유효한지를 결정하고, 상기 보정 곡선이 유효한 경우, Rave(t) 및 상기 보정 곡선의 사용에 의해 상기 액체 시료 기질 중의 상기 표적 분자(M)의 농도를 계산하며, 상기 액체 시료 기질 중의 상기 표적 분자(M)의 농도를 출력으로서 제공하도록 구성된 전자 장치를 포함하며,
    상기 신호 소스는 1,150 nm(1.150μ)의 신호 빔 중심 파장을 갖는 방사선을 방출하고, 상기 간섭 소스는 1,210 nm의 중심 파장을 갖는 방사선을 방출하며, 상기 참조 소스는 1,064 nm(1.064μ)의 중심 파장을 갖는 방사선을 방출하고,
    상기 적어도 하나의 간섭 분자(MJ)는 상기 신호 소스로부터의 방사선을 흡수하며,
    상기 신호 소스, 상기 간섭 소스 및 상기 참조 소스는, 충분히 고속이고 적어도 10%의 충격 계수를 갖는 1.0 KHz보다 더 큰 적어도 N Hz의 미리 선택된 주파수로 각각 펄스화됨으로써, 상기 표적 분자(M) 또는 상기 적어도 하나의 간섭 분자(MJ) 중 주어진 분자가 상기 미리 선택된 주파수 내에서 상기 액체 시료 기질의 안과 밖으로 들락거리지 않도록 하는,
    적어도 하나의 간섭 분자(MJ)가 표적 분자와 공존하는 액체 시료 기질 중의 표적 분자(M)의 농도를 주어진 시간 기간 내에 결정하기 위한 장치.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 펄스형 빔은 상기 신호 소스 다음에 상기 참조 소스가 이어지고, 그 다음에 상기 간섭 소스가 이어지며, 그 다음에 상기 참조 소스가 이어지는 반복 패턴의 교대하는 그리고 순차적인 펄스화를 포함하는, 장치.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 펄스형 빔은 상기 신호 소스, 상기 참조 소스 및 상기 간섭 소스의 반복 패턴의 교대하는 그리고 순차적인 펄스화를 포함하는, 장치.
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10473586B2 (en) * 2016-11-22 2019-11-12 Airware, Inc. Enhanced optical data capture using NDIR for liquids
KR102556283B1 (ko) 2022-10-07 2023-07-17 (주)세성 측정 대상가스 이외의 가스의 존재를 감지하는 ndir 가스측정장치

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002534661A (ja) 1999-01-05 2002-10-15 アボット・ラボラトリーズ グルコースの非侵襲的測定方法及び装置

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
IL127213A (en) 1996-07-08 2003-09-17 Animas Corp Implantable sensor and system for in vivo measurement and control of fluid constituent levels
US6115673A (en) * 1997-08-14 2000-09-05 Instrumentation Metrics, Inc. Method and apparatus for generating basis sets for use in spectroscopic analysis
JP2000230900A (ja) 1999-02-12 2000-08-22 Omron Corp 車両内アルコール検出装置
FR2809816B1 (fr) * 2000-05-30 2003-04-18 Gaz De France Procede et dispositif de detection de fuites de gaz
CN101263388A (zh) * 2005-06-14 2008-09-10 道明资产公司 非侵入性检测人类受检体中葡萄糖的方法和设备
CN101292875B (zh) 2008-06-06 2010-07-14 天津市先石光学技术有限公司 利用基准波长测量成分浓度的方法
EP2444791B1 (en) * 2010-10-25 2020-04-15 General Electric Company Gas analyzer for measuring at least two components of a gas
US8178832B1 (en) * 2011-05-31 2012-05-15 Wong Jacob Y Re-calibration methodology for NDIR gas sensors
US10643008B2 (en) * 2014-11-11 2020-05-05 Spectrasensors, Inc. Target analyte detection and quantification in sample gases with complex background compositions
JP2016010717A (ja) 2015-09-07 2016-01-21 セイコーエプソン株式会社 濃度定量装置
US20170265787A1 (en) 2016-03-21 2017-09-21 Airware, Inc. Superfast Sequential and Alternate Dual Wavelength Reflection Technique
US9823185B1 (en) * 2016-11-22 2017-11-21 Airware, Inc. NDIR reflection sampling in liquids

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002534661A (ja) 1999-01-05 2002-10-15 アボット・ラボラトリーズ グルコースの非侵襲的測定方法及び装置

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