KR102584122B1 - 회절소자를 포함하는 동위원소 측정 장치 및 이를 이용한 동위원소 측정방법 - Google Patents

회절소자를 포함하는 동위원소 측정 장치 및 이를 이용한 동위원소 측정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 회절소자를 포함하는 동위원소 측정 장치 및 이를 이용한 동위원소 측정방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광대역 광을 출력하는 광원부; 광원으로부터 나온 빛의 경로를 파장에 따라 변경하기 위한 회절소자; 회절소자에 의해 발생한 회절광들의 광경로 상에 배치되며, 동위원소를 포함하는 적어도 2종의 피측정 기체들을 포함하는 기체 셀(Gas cell); 피측정 기체들의 흡수선에 해당하는 파장들을 선택적으로 통과시키는 선택적 광 차단부; 선택적 광 차단부를 통과한 빛들을 집광하는 집광부; 집광된 빛을 파장에 따라 시간 간격을 두고 검출기로 입사시키는 초퍼(chopper); 및 수광부를 포함하는, 동위원소 측정 장치; 및 이를 이용하여, 동위원소를 포함하는 적어도 2종의 피측정 기체를 측정하는 단계를 포함하는, 동위원소 측정방법에 관한 것이다.

Description

회절소자를 포함하는 동위원소 측정 장치 및 이를 이용한 동위원소 측정방법{Isotope measurement apparatus comprising diffraction element and isotope measurement method using the same}
본 발명은 회절소자를 포함하는 동위원소 측정 장치 및 이를 이용한 동위원소 측정방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 회절소자 및 초퍼를 이용함으로써 단일의 광검출기를 이용하여 동위원소를 측정할 수 있는 동위원소 측정 장치 및 이를 이용한 동위원소 측정방법에 관한 것이다.
탄소 동위원소에 기반한 CO2를 이용한 호흡진단법은 체내에 인위적으로 투여된 13C 표지자를 이용하여, 호흡 내 13CO2와 12CO2의 농도 비율 변화를 측정함으로써 병증의 유무를 진단한다. 현재 일반적으로 13CO2와 12CO2의 농도비 측정에 이용되는 방법은 분광 기반 광 흡수 측정 시스템으로, 광대역 광원의 넓은 방출 파장을 13CO2와 12CO2의 흡수 스펙트럼 영역 별로 분리하여 개별 동위원소의 광흡수량을 측정하여 상대 농도를 측정하고 있다.
예를 들어 한국등록특허 제10-0436320 B1호는 분광학에 의한 안정한 동위원소 측정방법을 개시하고 있으며, 성분 기체로서 이산화탄소 13CO2 를 함유하는 시험 기체 샘플을 셀에 도입하고, 성분 기체 3CO2에 적합한 파장에서 이를 통해 투과된 흡광도를 측정하고, 성분 기체의 농도를 각각 공지된 농도로 성분 기체를 함유하는 시험 기체 샘플에 대한 측정을 통해 만들어진 검정 곡선을 기준으로 측정하는 방법을 개시한다.
한편, 종래의 방식은 동위 원소 별 흡수 스펙트럼을 영역 별로 분리하기 위하여 다층박막 형태의 대역 필터 등의 사용이 요구되며, 나아가 예를 들어 분리된 12CO2와 13CO2의 흡수 스펙트럼에 해당하는 빛이 수광부에 도달하는 광의 세기가 달라지는 것을 이용하여 13CO2/12CO2의 상대 농도 변화를 관측하게 된다.
그러나, CO2의 흡수 스펙트럼이 강한 파장은 중적외선 영역으로, 파장이 길어서 다층박막 형태의 대역 필터를 가공하는 것이 쉽지 않으며, 예를 들어 λ/4의 두께를 갖는 박막을 적층하여 코팅하여야 하는데, 장파장에서는 두께가 두꺼워져 균등한 코팅이 어렵고, 이에 따라 가공된 대역 필터의 주요 스펙인 중심 파장 및 대역폭이 일정한 품질로 가공되기가 어려운 문제가 있다. 나아가, 13CO2와 12CO2를 구분하기 위해서는 각각의 스펙트럼 대역에 해당하는 2개의 대역 필터와 이를 통과한 신호를 수광하는 2개의 광검출기가 존재하여야 하며, 이와 같이 광검출기의 개수가 동위원소의 개수만큼 존재하여야 하므로, 전체적인 시스템이 복잡해진다. 나아가, 서로 다른 광검출기가 갖는 자체적인 노이즈 등의 차이로 인해 수광되는 광세기의 차이가 발생할 수 있기 때문에 정확한 데이터 처리를 위한 추가적인 교정이 필요하다.
따라서, 하나의 수광부 및 검출부를 이용하여 복수의 동위원소를 측정할 수 있는 기술이 제공되는 경우 13CO2와 12CO2의 농도 비율 변화에 기초한 호흡진단 법 등 관련 분야에서 널리 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
본 발명의 한 측면은 회절소자를 포함하는 동위원소 측정 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 측면은 이를 이용한 동위원소 측정방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 견지에 의하면, 광대역 광을 출력하는 광원부; 광원으로부터 나온 빛의 경로를 파장에 따라 변경하기 위한 회절소자; 회절소자에 의해 발생한 회절광들의 광경로 상에 배치되며, 동위원소를 포함하는 적어도 2종의 피측정 기체들을 포함하는 기체 셀(Gas cell); 피측정 기체들의 흡수선에 해당하는 파장들을 선택적으로 통과시키는 선택적 광 차단부; 선택적 광 차단부를 통과한 빛들을 집광하는 집광부; 집광된 빛을 파장에 따라 시간 간격을 두고 검출기로 입사시키는 초퍼(chopper); 및 수광부를 포함하는, 동위원소 측정 장치가 제공된다.
본 발명의 다른 견지에 의하면, 상기 본 발명의 동위원소 측정 장치를 이용하여, 동위원소를 포함하는 적어도 2종의 피측정 기체를 측정하는 단계를 포함하는, 동위원소 측정방법이 제공된다.
본 발명에 의하면 단일의 회절소자 및 단일의 광검출기를 사용하여 구조가 간단하면서도 동시에 여러 동위원소의 측정이 가능하도록 하는 동위원소 측정 장치 및 이를 이용한 동위원소 측정 방법이 제공된다. 본 발명에 의하면, 단일의 광검출기를 사용하므로 신호의 측정 및 처리가 쉽고, 또한 고정된 대역폭의 대역 필터 대신 회절소자를 이용하므로, 측정 대상물의 종류 및 개수가 변화하는 경우에도 용이하게 적용할 수 있다.
도 1은 중적외선 영역에서의 13CO2 및 12CO2의 흡수 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 2는 회절소자에 의해 경로가 분리된 파장 λ1 및 λ2를 도식적으로 나타낸 것이다.
도 3은 통과하는 광 경로의 길이가 상이하게 형성된 예시적인 기체 셀을 도식적으로 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 예시적인 동위원소 측정 장치를 도식적으로 나타낸 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 의하면, 회절 소자 및 초퍼(chopper)를 이용하여 측정 대상인 피측정 기체 내에 포함되어 있는 각 동위 원소의 농도를 하나의 수광부로 확인할 수 있도록 하는 동위원소 측정 장치 및 이를 이용한 동위원소 측정 방법이 제공된다.
보다 상세하게, 본 발명의 동위원소 측정 장치는, 광대역 광을 출력하는 광원부; 광원으로부터 나온 빛의 경로를 파장에 따라 변경하기 위한 회절소자; 회절소자에 의해 발생한 회절광들의 광경로 상에 배치되며, 동위원소를 포함하는 적어도 2종의 피측정 기체들을 포함하는 기체 셀(Gas cell); 피측정 기체들의 흡수선에 해당하는 파장들을 선택적으로 통과시키는 선택적 광 차단부; 선택적 광 차단부를 통과한 빛들을 집광하는 집광부; 집광된 빛을 파장에 따라 시간 간격을 두고 검출기로 입사시키는 초퍼(chopper); 및 수광부를 포함하는 것이다.
본 발명의 동위원소 측정 장치는 방출 스펙트럼이 넓은 광대역 광원을 사용하며, 바람직하게는 중적외선 영역의 광을 방출하는 광원을 사용한다. 이때 상기 광원은 LED, 수퍼발광다이오드(SLD), 주파수빗 등일 수 있으며, 예를 들어 상기 광원부는 CO2의 흡수파장 영역인 4.2 내지 4.4 ㎛ 파장을 포함하는 광을 출력하는 것일 수 있다. 도 1은 13CO2 및 12CO2의 흡수 스펙트럼을 나타낸 것이다.
상기 광원부에서 출광한 빛은 회절 소자에 의해 파장에 기초하여 광원으로부터 나온 빛의 경로가 변경된다. 상기 회절 소자는 회절격자, 디지털 마이크로 미러 소자(DMD), 및프리즘으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것일 수 있으며, 파장을 유지하면서 파장에 따라 빛을 회절시킬 수 있는 것이라면 특히 제한되는 것은 아니다.
도 2는 예시적으로 회절격자에 의해 경로가 분리된 파장 λ1 및 λ2을 도식적으로 나타낸 것이다. 예를 들어, 이때 구별된 파장은 13CO2의 흡수선에 해당하는 λ1 및 12CO2의 흡수선에 해당하는 λ2일 수 있다. 이때 상기 λ1, λ2는 경로 상에 존재하는 기체 셀(Gas cell) 내의 13CO2 및 12CO2을 포함하는 혼합 기체를 통과하며, 각각의 경로에 따라 기체의 광흡수에 의한 광 세기, 즉 광량의 저하가 발생한다.
본 발명의 기체 셀(Gas cell)은 적어도 2종의 피측정 기체들을 포함하는 것일 수 있으며, 예를 들어 상기 기체 셀은 13CO2 및 12CO2을 포함할 수 있으나, 특히 이에 제한되는 것은 아니다.
한편, 상기 기체 셀은, 피측정 기체들에 의해 흡수되는 회절광들의 광량 차를 보상하도록, 통과하는 경로의 길이가 상이하게 형성되는 것일 수 있으며, 예를 들어 13CO2 및 12CO2을 포함하는 피측정 기체의 경우 12CO2에 의한 광량 저하가 13CO2에 의한 경우에 비하여 많으므로, 결과적으로 광량의 차이를 가져오게 되므로, 이를 보상하기 위해 예시적인 λ1과 λ2 파장의 빛이 기체셀을 통과하는 길이를 서로 다르게 구성할 수 있으며, 예를 들어 12CO2의 흡수선에 해당하는 λ2 파장의 경로를 λ1 파장의 경로에 비하여 짧게 형성할 수 있다.
도 3은 이와 같이 형성된 기체 셀을 예시적으로 도식적으로 도시한 것으로, 상기 기체 셀은 통의 형상일 수 있고, 예를 들어 원통형, 다각통형 등의 형상일 수 있는데, 예를 들어 원통 형상인 경우 회절광들의 광경로에 대하여 수직 방향으로 통의 길이 방향이 도 3과 같이 배치되도록 하고, 이 경우 빛이 기체셀을 통과하는 경로의 길이에 해당하는 원통의 단면 지름을 상이하게 형성할 수 있다. 예를 들어, 여기서 빛이 기체셀을 통과하는 경로 길이는 예를 들어 13CO2에 의한 흡광량과 12CO2에 의한 흡광량이 동일 내지 유사하도록 조절될 수 있다. 다만, 기체 셀의 형상은 이에 제한되는 것은 아니며, 회절광들의 광량 차이를 보상하도록 이를 통과하는 광경로의 길이가 상이하게 형성된 어떠한 형태일 수 있다.
상기 기체 셀은 통의 길이 방향 양 끝 중 한 쪽에 기체 유입구 및 다른 한 쪽에 기체 배출구를 구비하여, 유입구를 통해 기체를 유입하여 동위원소를 측정한 후 배출구를 통해 배출할 수 있다. 다만, 기체 유입구 및 배출구의 배치는 특히 제한되는 것은 아니며, 동위원소 특정에 영향을 주지 않는 어떠한 위치 및 형태로 구현될 수 있다.
한편, 상기 기체 셀의 재질은 특히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어 아크릴, 알루미늄, 스테인레스 스틸, 엔지니어링 플라스틱 등일 수 있고, 피측정 기체와 화학적 및/또는 물리적 결합이 없어 반복 측정 시 이전 단계 측정의 메모리 효과가 존재하지 않는 어떠한 재질도 사용할 수 있다.
본 발명의 기체 셀(Gas cell)을 통해 예를 들어 흡수선에 대하여 13CO2 및 12CO2가 갖는 근원적인 흡수 세기 차이를 보상하여, 비슷한 세기의 광 흡수가 일어나도록 구성할 수 있으며, 이 경우 일정한 광량을 맞추어 측정의 정확도를 더욱 향상시킬 수 있다.
이와 같이 광량의 차이가 조절된, 즉 흡광량의 차이가 감소된 빛들은 기체 셀을 통과하여 피측정 기체들의 각 흡수선에 해당하는 파장들을 선택적으로 통과시키는 선택적 광 차단부를 지나도록 하여, 피측정 기체들의 흡수선에 해당하는 파장들만이 선택적으로 수광부에 집광될 수 있도록 한다.
선택적 광 차단부를 통과한 빛들은 집광 렌즈 등과 같은 집광부를 통해 집광되어 수광부로 입사되며, 이때 수광부 전단에는 집광된 광이 파장에 따라 시간 간격을 두고 검출기로 입사하도록 하는 초퍼(chopper)를 구비한다.
상기 초퍼는 일정 시간을 주기로 하여 광을 잘라냄으로써, 즉 초퍼의 빗살 위치에 따라 상이한 파장의 빛이 시간 간격을 두고 수광부에 입사하도록 함으로써, 본 발명에 있어서 하나의 수광부를 이용하여 2종 이상의 피측정 기체들, 예를 들어 동위 원소를 포함하는 각 기체들이 시간차를 두고 각각 측정되도록 할 수 있다.
이와 같이 기체 셀을 통과한 회절광은 초퍼를 통과하여 시간적으로 분해되고, 집광되어 하나의 수광부로 각각 시간차를 두고 입사하게 된다. 상기 수광부는 입사하는 광을 검출해서 전기 신호로 변환하는 검출기 및 검출기에 의해 변환된 전기 신호로부터 다이오드 양단에 인가된 전압을 측정하는 전압 측정부를 포함하는 것일 수 있다. 보다 상세하게, 광 수광부는 포토다이오드 또는 CCD 등일 수 있으며, 다이오드 양단에 인가된 전압 및 전류는 광량에 따라 변화한다.
상기 전압 측정부는, 검출기가 검출한 광의 광량을, 광원에서 발광한 광의 광량과 비교함으로써, 광량의 손실을 구하고, 인가된 전압을 측정할 수 있다. 예를 들어, 피측정 기체가 없는 진공상태의 기체셀을 통과한 광의 광량을 측정하여, 기준값으로 정하고, 피측정 기체를 기체셀에 넣은 후 변화된 광량을 기준값과 비교하여 차이를 측정한다. 이 때, 시간적으로 분해된 두 개의 회절광은 각각 13CO2 및 12CO2의 농도에 따른 흡수 정도를 나타내게 되고, 각 회절광의 세기 변화를 측정 및 비교하여 13CO2 및 12CO2의 농도 변화를 실시간으로 측정할 수 있다.
이를 위해 본 발명의 동위원소 측정 장치는 상기 전압 측정부의 전압을 검출하여 검출 물질의 농도를 도출하는 센싱 시스템을 추가로 포함하는 것일 수 있다.
이때, 검출 물질의 농도는 예를 들어 하기와 같은 관계식 식(1)에 의해 도출할 수 있다.
...식(1)
* Ground: 피측정 기체가 없을 때 광수광부의 신호 레벨
** Reference: 12CO2에 해당하는 흡수선의 첨두 신호 레벨
*** Measurement: 13CO2에 해당하는 흡수선의 첨두 신호 레벨
**** Peak Ratio: 피크비
***** 정규화(Normalization )= 라인 강도(line strength)/존재량(abundance)
나아가, 본 발명에 의하면, 상술한 본 발명의 동위원소 측정 장치를 이용하여, 동위원소를 포함하는 적어도 2종의 피측정 기체를 측정하는 단계를 포함하는, 동위원소 측정방법이 제공된다.
이때, 상기 피측정 기체는 13CO2 및 12CO2을 포함하는 것일 수 있으며, 예를 들어 상기 피측정 기체는 13CO2 및 12CO2을 포함하는 포유류의 날숨일 수 있다.
이와 같은 동위원소 분석은 의학 분야에서 질환의 진단에 유용하게 적용될 수 있으며, 예를 들어 생체의 대사 기능은 동위원소를 함유하는 약물을 투여한 후 동위원소의 농도 또는 농도 비의 변화를 측정하여 결정할 수 있다.
또 다른 분야로, 동위원소 분석은 식물의 광합성 및 대사 연구, 및 지구화학 분야에서 생태 추적에 사용될 수도 있다.
이와 같이 본 발명의 동위원소 측정 장치 및 이를 이용한 측정 방법에 의하면 2종 이상의 기체 농도를 하나의 수광부에 의해 동시에 측정할 수 있으므로, 이를 이용하여 CO2뿐만 아니라 다양한 기체 분자의 존재 유무 및 농도 측정에 응용할 수 있다.
이상에서 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.

Claims (12)

  1. 중적외선 영역의 광대역 광을 출력하는 광원부;
    광원으로부터 나온 빛의 경로를 파장에 따라 변경하기 위한 회절소자;
    회절소자에 의해 발생한 회절광들의 광경로 상에 배치되며, 동위원소를 포함하는 적어도 2종의 피측정 기체들을 포함하며, 피측정 기체들에 의한 회절광들의 흡수에 따른 광량의 차이를 보상하도록, 각 회절광이 통과하는 경로의 길이가 상이하게 형성되는 기체 셀(Gas cell);
    회절소자에 의해 공간적으로 분해된 파장들 중 피측정 기체들의 흡수선에 해당하는 파장들을 선택적으로 통과시키는 선택적 광 차단부;
    선택적 광 차단부를 통과한 빛들을 하나의 검출기로 집광하는 집광부;
    집광된 빛을 파장에 따라 시간적으로 분해하여 시간 간격을 두고 검출기로 입사시키는 초퍼(chopper); 및
    수광부를 포함하는, 동위원소 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 광원부는 이산화탄소의 동위원소인 12CO2 및 13CO2의 흡수 파장인 4.2 내지 4.4 ㎛ 파장을 포함하는 광을 출력하는, 동위원소 측정 장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 기체 셀은 13CO2 및 12CO2을 포함하는, 동위원소 측정 장치.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서, 상기 집광부는 집광 렌즈인, 동위원소 측정 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 수광부는 입사하는 광을 검출해서 전기 신호로 변환하는 검출기 및 검출기에 의해 변환된 전기 신호로부터 다이오드 양단에 인가된 전압을 측정하는 전압 측정부를 포함하는, 동위원소 측정 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 전압 측정부의 전압을 검출하여 피측정 기체들의 농도를 도출하는 센싱 시스템을 추가로 포함하는, 동위원소 측정 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 센싱 시스템은 하기 식(1)의 관계식에 의해 피측정 기체들의 농도를 도출하는, 동위원소 측정 장치.
    ...식(1)
    (상기 식(1)에서 'Ground'는 피측정 기체가 없을 때 광수광부의 신호 레벨을 의미하며, 'Reference'는 12CO2에 해당하는 흡수선의 첨두 신호 레벨을 의미하며, 'Measurement'는 13CO2에 해당하는 흡수선의 첨두 신호 레벨을 의미하며, 'Peak Ratio'는 피크비를 의미하며, '정규화'는 라인 강도(line strength)/ 존재량(abundance)의 값을 의미하는 것이다.)
  10. 제1항, 제2항, 제4항 및 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항의 동위원소 측정 장치를 이용하여,
    동위원소를 포함하는 적어도 2종의 피측정 기체를 측정하는 단계를 포함하는, 동위원소 측정방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 피측정 기체는 13CO2 및 12CO2을 포함하는, 동위원소 측정방법.
  12. 제10항에 있어서, 상기 피측정 기체는 포유류의 날숨인, 동위원소 측정방법.
KR1020210126400A 2021-09-24 2021-09-24 회절소자를 포함하는 동위원소 측정 장치 및 이를 이용한 동위원소 측정방법 KR102584122B1 (ko)

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JP2002039942A (ja) 2000-07-25 2002-02-06 Japan Radio Co Ltd 同位体分析装置
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WO2016208048A1 (ja) * 2015-06-26 2016-12-29 株式会社日立製作所 気体分析装置

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