KR20010018341A - 다성분 동시 측정을 위한 멀티바이오센서용 계측 시스템 - Google Patents

다성분 동시 측정을 위한 멀티바이오센서용 계측 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다수의 센서 프로브 음극을 갖는 다음극-단양극 구조의 산소전극형 바이오센서에 의해 동시에 검출된 피측정 매질의 각기 상이한 특정성분에 대응하는 측정전류량을 계측하는 계측시스템에 관한 것이다. 본 발명의 계측시스템은 상기 각각의 센서 프로브 음극으로부터 제공되는 상기 측정전류량을 각기 대응하는 표시가능한 전압값으로 변환하는 센서 인터페이스 모듈과, 기 센서 인터페이스 모듈에 의해 변환된 전압값을 디지탈 값으로 변환하는 PC 인터페이스 수단과, 상기 PC 인터페이스 수단에 의해 제공된 디지탈 전압값을 스케일링하여 시간변화에 따른 상기 각각의 특정성분에 대한 전압값을 플로팅하는 컴퓨팅 수단을 포함한다. 또한, 센서 인터페이스 모듈은: 대응하는 센서 프로브 음극으로부터 전달되는 상기 검출 전류량에 비례하는 전압으로 변환하는 전류-전압 변환기와, 상기 피측정 매질의 온도변화에 따른 센서 프로브 음극의 측정감도를 보상하기 위하여, 상기 전류-전압 변환회로에 의해 변환된 전압값의 증폭도를 조절하는 온도 보상수단과, 상기 온도 보상수단의 출력을 디지탈 값으로 표시하는 표시수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.

Description

다성분 동시 측정을 위한 멀티바이오센서용 계측 시스템{A SIMULTANEOUS MEASUREMENT SYSTEM FOR VARIOUS COMPOSITIONS DETECTED BY A MULTI BIOSENSOR}
본 발명은 피측정 대상물의 성분량을 계측하는 계측 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 멀티 바이오센서에 의해 동시에 측정되는 피측정 대상물의 여러 성분량을 계측할 수 있도록 구성한 계측 시스템에 관한 것이다.
바이오센서는 피측정 대상물, 예를 들면, 생체 물질내부에 나타나는 산소 농도, 글루코스 농도 및 그 반응 등을 측정하고, 측정 대상량을 미소한 전류신호로서 생성한다. 바이오센서에 의해 검출된 전류신호는 미소한 값이기 때문에, 이 미세전류를 정확하게 계량되어 표시하는 계측 시스템이 제안되어 있다. 통상적으로, 바이오센서는 피측정 대상물의 여러 가지 성분을 동시에 측정할 수 있도록 다입력 센서 전극을 가지고 있는 다기능 바이오센서가 제안되어 있지만, 바이오센서의 출력을 계측하는 계측 시스템은 바이오센서에 의해 측정되는 측정 대상물당 하나의 계측 결과만을 생성하는 단입력 측정 시스템으로 구성되어 있다. 따라서, 피측정 대상물의 여러 가지 성분을 동시에 측정하고자 하는 경우에는 바이오센서와 연관된 계측 장치를 바이오센서의 출력 개수만큼 병렬로 조합하여 사용한다. 이러한 이유로 전체 계측 시스템의 부피가 방대해지게 되며, 시스템을 구성하는 비용에 있어서 비효율적이라는 문제가 있다.
또한, 바이오센서중의 산소전극형 센서는 그의 센서감도가 온도변화에 따라 변화할 뿐아니라 피측정 대상물내의 산소용해도 역시 온도에 따라 변환하는 특성을 갖기 때문에 측정시 계측 결과에서 측정오차가 발생하게 되는 문제가 있다.
그러므로, 본 발명은 상술한 문제를 해결하고자 안출된 것으로, 바이오센서에 의해 검출된 피측정 대상물의 여러 가지 성분량을 일괄 계측하여 표시하는 다성분 동시계측용 시스템을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 온도변화에 따라 바이오센서에서 발생하는 측정오차를 보상할 수 있는 온도 보상기능을 갖는 계측 시스템을 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 계측시스템은: 상기 바이오센서의 다수의 센서 프로브 음극에 각기 연결되어 있는 센서 인터페이스 모듈을 구비하며, 상기 각각의 센서 프로브 음극으로부터 제공되는 상기 측정전류량을 각기 대응하는 표시가능한 전압값으로 변환하는 센서 인터페이스 그룹; 상기 센서 인터페이스 모듈에 의해 변환된 전압값을 디지탈 값으로 변환하는 PC 인터페이스 수단; 상기 PC 인터페이스 수단에 의해 제공된 디지탈 전압값을 스케일링하여 시간변화에 따른 상기 각각의 특정성분에 대한 전압값을 플로팅하는 컴퓨팅 수단을 포함한다.
또한, 본 발명의 각각의 상기 센서 인터페이스 모듈은: 대응하는 센서 프로브 음극으로부터 전달되는 상기 검출 전류량에 비례하는 전압으로 변환하는 전류-전압 변환기; 상기 피측정 매질의 온도변화에 따른 센서 프로브 음극의 측정감도를 보상하기 위하여, 상기 전류-전압 변환회로에 의해 변환된 전압값의 증폭도를 조절하는 온도 보상수단; 상기 온도 보상수단에 의해 증폭도 보상된 전압값의 DC 에러를 제거하는 로우패스 필터; 상기 로우패스 필터의 출력을 디지탈 값으로 표시하는 표시수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명에 따라 구성된 다성분 동시 측정을 위한 계측 시스템의 개략적인 블록 구성도,
도 2는 산소전극형 센서의 세부 구성도,
도 3은 센서 인터페이스 모듈의 블록 구성도,
도 4는 센서 인터페이스 모듈내 전류-전압 변환기와 온도 보상기의 상세 회로 구성도,
도 5는 PC에서 처리된 결과를 예시하는 도면.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
100 : 다음극-단양극 바이오센서 200 : 센서 인터페이스 그룹
214 : 전류/전압 변환기 216 : 온도 보상기
OP1, OP2 : 증폭기 300 : PC 인터페이스
이하 본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 다음과 같이 상세히 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 다성분 동시 측정을 위한 멀티 바이오센서 계측 시스템의 블록 구성도를 도시한다.
본 발명의 계측 시스템은 바이오센서(100)에 의해 측정된 피측정 대상물의 다성분에 대한 미세 전류치를 수신하여 처리하는 센서 인터페이스 모듈(200)과 센서 인터페이스 모듈(100)에서 처리된 결과를 연산처리하는 연산처리/제어부(300)와 연산처리/제어부(300)의 결과를 디스플레이하는 PC(500)를 포함한다.
바이오센서(100)는 피측정 대상물의 측정하고자 하는 여러 가지 성분을 각기 계측하고 계측된 결과를 전류치로서 생성하며, 센서 인터페이스 모듈(200)은 바이오센서(100)에 의해 각기 측정된 전류치가 계측 시스템에 동시에 입력될 때 이들 입력신호 상호간의 신호간섭을 배제하는 기능을 수행한다. 연산처리부(300)는 센서 인터페이스(100)와 PC(500)간의 인터페이스를 담당하며, PC(500)는 연산처리부 (300)의 연산결과를 디스플레이상에 디스플레이하거나 연산처리부(300)를 제어하는 기능을 수행한다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 계측 시스템으로 피측정 대상물의 다성분에 대한 미세 전류치를 제공하는 바이오센서(100)의 상세 구성을 도시한다. 바이오센서(100)는 센서 몸체(150)와, 센서 몸체(150)내에 형성된 단일의 양(+)전극(anode)으로서 애노우드(110)와, 센서 몸체(150)의 일측에서 연장하여 피측정 대상물과 접촉하는 다수개의 음(-)전극(cathods), 본 발명의 실시예에서는 6개의 음(-)전극으로서 플라로그래픽 프로브로브(130)와, 센서 몸체(150)의 타측에서 양전극(110) 및 음전극(130)과 연결된 커넥터(120)로 구성된다. 그 동작에 있어서, 바이오센서(100)는 커넥터(120)를 통하여 양극(110)에 분극전압이 제공되는 상태에서 다수의 음극(130)을 측정 대상물, 예를 들면 다성분 생체물질에 접촉함으로써 생체물질의 각각의 성분을 측정한 결과치가 미세 전류값으로서 생성된다. 각각의 음극들(130)에 의해 측정된 성분의 전류치는 도 1의 센서인터페이스 모듈(200)로 인가된다.
도 3은 센서 인터페이스 모듈(200)의 상세 블록 구성도로서, 도 2에 예시된 바이오센서(100)의 6개의 플라로그래픽 프로브 음극(130)에 각기 연결되는 동일 구성의 6개의 센서 인터페이스(210, 220, . . . , 260)를 구비하며, 그중 하나의 센서 인터페이스(210)의 상세 블록 구성도가 예시된다.
각각의 센서 인터페이스(210)는 공용의 분극전압 발생기(212), 전류/전압 변환기(214), 온도 보상기(216), 로우패스 필터(LPF)(218), 표시기(digital voltage meter : DVM)(219)를 구비한다. 분극전압 발생기(212)는 바이오센서(100)의 양극(110)에 분극전압, 즉 센서 바이어스 전압Vp을 제공하는 데 사용되는 수단으로, 본 발명에 따라 분극전압은 0 ∼ 1.235V 까지 가변되도록 조절될 수 있다. 전류/전압 변환기(214)는 바이오센서(100)의 대응하는 음극(130)로부터 입력되는 전류를 직류(DC) 전압으로 변환하며, 온도 보상(216)는 전류/전압 변환기(214)의 출력에 연결되어 바이오센서(100)의 음극(130)의 온도 의존성을 보상하는 기능을 수행한다.
도 4를 참조하면, 센서 인터페이스(210)내 전류/전압 변환기(214)와 온도 보상기(216)의 상세 회로구성도가 도시된다.
전류/전압 변환기(214)는 증폭기(OP1)의 출력 단자와 입력단자사이에 궤환 저항(Rf)가 연결된 궤환 증폭기 회로로 구성된다. 또한 전류/전압 변환기(214)는 궤환분로에 병렬로 연결된 궤환 캐패시터(C)를 더 구비하며, 이 궤환 캐패시터(C)는 미세 전류의 직류전압으로의 변환시 발생하는 잡음성분을 감쇠시키기 위하여 사용된다. 궤환 증폭기 회로로 구성되는 전류/전압 변환기(214)는 전력이득을 갖는 저항과 같이 동작하여 입력 전류에 비례하는 전압을 출력하며, 그 비례상수는 V0= -IiRf의 관계를 갖는다. 실질적으로, 음극(130)으로부터 입력되는 전류의 값은 수 μA 정도로 극히 작은 값을 갖기 때문에 변환된 직류전압값 역시 아주 작은 값이 될 것이다. 이것은 궤환 저항(Rf)의 값을 조절함으로써 변환된 직류전압값을 가변시킬 수 있는데, 본 발명에서는 입력전류의 측정범위를 변환시킬 수 있도록 하기 위하여 궤환분로상의 궤환 저항(Rf)을 필요에 따라 1MΩ, 100kΩ, 10kΩ 등으로 의해 변환시키는 구성을 갖는다. 이것은 궤환 저항(Rf)을 가변저항으로 구성할 수도 있고, 그와 달리 저항값이 각기 상이한 여러 궤환저항(Rf)을 병렬로 연결시켜 구성할 수도 있을 것이다.
온도 보상기(216)는 전류/전압 변환기(214)와 마찬가지로 증폭기(OP2)의 출력 단자와 입력단자사이의 궤환분로에 궤환 저항(R4)과 이 궤환 저항(R4)과 직렬 연결된 서미스터(RTH)를 갖는 궤환증폭 회로로 구성된다. 서미스터(RTH)는 바이오센서(100)에서 피측정 대상물의 온도변화에 따라 감응하여 저항이 변화되며, 서미스터(RTH)의 저항변화는 궤환증폭 회로의 증폭률을 변환시킨다.
보다 상세히 설명하면, 음극(130)은 온도변화에 따라 측정 감도가 1℃ 당 1 ∼ 5 % 정도 증가하는 것으로 알려져 있다. 따라서, 피측정 대상물의 온도가 정확하게 제어되지 않으면 측정오차가 커진다. 한편, 온도 계수효과 이외에 온도에 따라 용액중의 산소용해도가 변화한다. 예를 들어, 물속에서 산소용해도는 25℃에서 대략 2%/℃ 정도로 변화한다. 온도계수를 3%/℃로 가정하면, 산소농도를 계산함에 있어 합성오차는 최악의 경우 약 5%/℃를 초과할 수 있다. 따라서, 주어진 용액의 용존산소분압을 정확하게 측정하기 위해서는 측정 대상물을 정밀하게 온도제어(±0.1℃ 이상)할 필요가 있다.
일반적으로, 산소전극 출력전류의 온도에 대한 감도의존성은 다음과 같이 주어진다.
상기 수학식 1에서,이고,로 주어지는 정수이다.
따라서, 전류 출력의 대수를 취하여에 대해 도식화(플로트)하면 기울기가로 주어지는 직선이 형성된다. 수학식 1에 의하면 감도는 온도에 따라 증가하나 그 경향은 선형적이 아니라 지수함수적이다. 따라서 온도에 따라 그 전기저항값이 지수함수적으로 변화하는 서미스터(RTH)를 사용함으로써 산소전극 감도의 온도의존성을 자동으로 보상할 수 있다.
서미스터(RTH)의 저항 값는 하기 수학식 2로 주어진다.
상기 수학식 2에서,과는 주어진 서미스터의 정수이다.
서미스터(RTH)를 통해 음전극의 출력전류를 흘리면 그 양단전압는 하기 수학식 3과 같다.
상기 수학식 3으로부터 산소분압의 척도(measure)인 전압는 하기 수학식 4와 표시된다.
상기 수학식 4에서,라고 가정하면, 측정전압은에 무관하게 되며, 따라서 프로브 감도의 온도의존성은 완전히 보상될 수 있다.
이상과 같이 감온저항소자인 서미스터를 이용함으로써 원리적으로 산소전압극의 온도의존성을 보상할 수 있으며, 따라서 본 발명에서는 도 3의 회로중 전류-전압 변환기(214) 후단에 서미스터(RTH)를 궤환회로에 사용한 온도보상회로를 설계하여 센서신호의 온도의존성이 자동적으로 보상될 수 있다.
즉, 분위기 온도 25℃에서의 서미스터(RTH)를 기준으로하여 이 서미스터(RTH)와 보정용 저항(R4)를 궤환회로에 구성하여 증폭도 "1"의 온도보상회로를 구성한다. 피측정 매질의 온도가 증가하면 센서출력신호가 증가하게 되며 이에 따라 초단의 I-V 변환회로(114)의 출력전압도 증가하게 된다. 그러나, 온도보상기(216)의 궤환회로에 접속된 서미스터(RTH)는 온도증가에 따라 그 저항치가 감소하므로 보상회로(116)의 증폭도는 1보다 감소하며 이에 따라 입력신호가 감쇠된다. 한편, 동일한 과정으로 피측정 대상물의 온도가 감소하면 센서출력신호가 미소하나 온도 보상기(216)의 증폭도는 1보다 커져 입력신호가 증폭된다. 이를 위하여 본 발명에서는 온도 25℃에서의 서미스터(RTH)의 2kΩ을 사용하여 산소전극 구조의 DO 센서에 대해 그 온도 변화에 따른 센서출력신호의 변동을 조사하여 궤환회로의 보정저항(R4)의 값을 적절히 설정함으로써 산소전극의 온도의존성을 보상할 수 있다. 이를 위해 우선 서미스터의 온도의존성을 실험실에서 측정하여 온도변화에 따른 서미스터 저항치의 변화를 실측하고 이로부터 각 온도에 대한 서미스터 저항과 보정저항과의 관계로부터 궤환회로의 전압증폭율을 계산하여 최적의 보정저항치를 구하여 온도보상회로를 구성하였다.
로우패스 필터(LPF)(218)는 온도 보상기(216)에 의해 증폭된 보상 전압값의 DC 에러를 제거하며, 표시부(220)는 로우패스필터(218)의 출력을 디지탈 값으로 표시한다.
한편, 센서 인터페이스 모듈(200)의 로우패스필터(218)의 출력은 PC 인터페이스 회로부(300)로 제공된다.
PC 인터페이스 회로부(300)는 멀티플렉서(310), A/D 변환기(320), 연산처리/제어부(330), RS232C 드라이버(340)를 구비한다.
멀티플렉서(310)는 센서 인터페이스 모듈(200)내 각각의 센서 인터페이스(110)의 출력을 선택적으로 선택하여 A/D 변환기(320)로 제공하며, A/D 변환기(320)는 선택된 센서 인터페이스(110)의 출력을 디지탈 신호로 변환한다.
연산처리/제어부(330)는 디지탈 신호로 변환된 전압신호값을 처리하여 RS232C 드라이버(340)를 통하여 PC(500)로 제공한다.
PC(500)에서는 PC 인터페이스 회로부(300)로부터 제공된 디지탈 전압신호값을 스케일링(scaling)하여 시간변화에 따른 상기 각각의 특정성분에 대한 전압값을 플로팅한다. 도 7은 PC(500)에서 각각의 성분에 대한 산소농도를 플로팅한 결과를 모니터상에 표시한 예를 도시한다.
그러므로, 본 발명에 따른 다성분 동시 측정을 위한 멀티바이오센서용 계측 시스템은 온도변화에 따른 센서의 감도를 조절해줌으로써 피측정 대상물의 여러 성분으로부터 검출된 미세 신호를 정확히 계측할 수 있으며, 또한 PC를 이용하여 편리하게 여러 성분의 미지 화합물에 대한 측정값들을 동시에 모니터링할 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

  1. 다수의 센서 프로브 음극을 갖는 다음극-단양극 구조의 산소전극형 멀티바이오센서에 의해 동시에 검출된 피측정 매질의 각기 상이한 다수의 특정성분에 대응하는 측정전류량을 동시에 계측하는 계측시스템에 있어서,
    상기 멀티바이오센서의 다수의 센서 프로브 음극에 각기 연결되어 있는 센서 인터페이스 모듈을 구비하며, 상기 각각의 센서 프로브 음극으로부터 제공되는 상기 측정전류량을 각기 대응하는 표시가능한 전압값으로 변환하는 센서 인터페이스 그룹;
    상기 센서 인터페이스 모듈에 의해 변환된 전압값을 디지탈 값으로 변환하는 PC 인터페이스 수단;
    상기 PC 인터페이스 수단에 의해 제공된 디지탈 전압값을 스케일링하여 시간변화에 따른 각기 상이한 다수의 특정성분에 대한 전압값을 플로팅하는 컴퓨팅 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 다성분 동시 측정을 위한 멀티바이오센서용 계측 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 각각의 상기 센서 인터페이스 모듈은:
    대응하는 센서 프로브 음극으로부터 전달되는 상기 검출 전류량에 비례하는 전압으로 변환하는 전류-전압 변환기;
    상기 피측정 매질의 온도변화에 따른 센서 프로브 음극의 측정감도를 보상하기 위하여, 상기 전류-전압 변환회로에 의해 변환된 전압값의 증폭도를 조절하는 온도 보상수단;
    상기 온도 보상수단에 의해 증폭 보상된 전압값의 DC 오차를 제거하는 로우패스 필터;
    상기 로우패스 필터의 출력을 디지탈 값으로 표시하는 표시수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 다성분 동시 측정을 위한 멀티바이오센서용 계측 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 전류-전압 변환회로는 궤환 증폭기를 구비하며, 상기 궤환 증폭기의 궤환 저항은 상기 검출 전류량의 측정 범위를 조절하기 위하여 가변되는 것을 특징으로 하는 다성분 동시 측정을 위한 멀티바이오센서용 계측 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 궤환 증폭기는 상기 궤환 증폭기와 병렬로 연결되어 상기 검출전류를 상기 대응하는 전압으로 변환시 발생하는 잡음성분을 감쇠시키는 궤환 캐패시터를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 다성분 동시 측정을 위한 멀티바이오센서용 계측 시스템.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 온도 보상수단은 상기 온도변화에 따라 저항값이 반비례하는 저항수단을 갖는 궤환 증폭기로 구성되는 것을 특징으로 하는 다성분 동시 측정을 위한 멀티바이오센서용 계측 시스템.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111751413A (zh) * 2020-05-30 2020-10-09 杭州安旭生物科技股份有限公司 一种多检测项目测试装置和方法

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