KR20030086753A - Method of signal detection for multichannel LAPS devices - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A signal detecting method for a multi-channel LAPS(light addressable potentiometric sensor) is provided to rapidly detect and treat environmental contamination by achieving superior resolving power. CONSTITUTION: AC bias voltage and DC optical signal are inputted to an LAPS in order to operate a sensor when a user orders a start command(5-1). As AC bias voltage and DC optical signal are inputted to an LAPS, an output value of the sensor, which is varied depending on density of electrolyte, is measured by using a detector(5-2). Then, an integrate value of the output value is calculated(5-3). After calculating the integrated value, a real density value is calculated based on the calculated integrate value(5-4). That is, the integrated value is converted into a density value.

Description

다채널 LAPS용 신호 검출 방법{Method of signal detection for multichannel LAPS devices}Method of signal detection for multichannel LAPS devices}

LAPS(light addressable potentiometric sensor)센서는 반도체내에서 전기 화학적 방법에 의해 신호를 발생시키므로 분석 물질의 크기에 대한 제한이 적고, 미소량의 샘플로 측정이 가능하며, 우수한 전기 화학적 안정성을 가진 것으로 알려져 있다. 또한 국부적인 광조사에 따른 신호를 측정함으로써 대상 물질을 동시에 측정할 수 있는 다채널 감지부 형성이 유리한 장점을 가지고 있다. 따라서, 최근들어 미생물·독소의 농도 검출 방법에 LAPS를 많이 사용하고 있다. 이는 미생물 농도에 따라 대상 물질과 기질 urea사이의 효소 반응에 의해 발생하는 수소이온의 량이 시간에 따라 다르게 나타남을 이용하는 것으로 이러한 이온 발생에 따른 pH를 검출함으로써 미생물의 농도를 간접적으로 측정하게 된다. 이러한 LAPS의 감도는 pH변화에 대한 바이어스 변화량이다. 즉, 센서 신호로부터 검출되는 광전류 특성곡선의 최대 변곡점이 나타날 때 인가되는 바이어스 전압의 이동량이다. 이를 검출하기 위한 종래의 방법에서는 특성 곡선의 2차 미분 값이 0이 되는 점을 확인하여 변곡점의 이동량을 측정하였다. 도 1은 이러한 종래의 측정장치에 관한 것이다.Since the light addressable potentiometric sensor (LAPS) sensor generates a signal by electrochemical method in semiconductor, it is known to have a small limit on the size of an analyte, to measure a small amount of sample, and to have excellent electrochemical stability. . In addition, it is advantageous to form a multi-channel sensing unit capable of simultaneously measuring a target material by measuring a signal according to local light irradiation. Therefore, in recent years, a lot of LAPS is used for the detection method of a microorganism and toxin concentration. The amount of hydrogen ions generated by the enzymatic reaction between the target substance and the substrate urea varies with time according to the concentration of the microorganism. The concentration of the microorganism is indirectly measured by detecting the pH according to the ion generation. The sensitivity of this LAPS is the amount of bias change against pH change. That is, the amount of shift of the bias voltage applied when the maximum inflection point of the photocurrent characteristic curve detected from the sensor signal appears. In the conventional method for detecting this, the amount of shift of the inflection point was measured by confirming that the second derivative value of the characteristic curve becomes zero. 1 relates to such a conventional measuring device.

종래의 측정 장치를 살펴보면 사용자로부터 계측을 위한 명령을 입력받고 이를 전송하며 계측된 결과값을 수신하여 미분에 의한 변곡점을 연산한후 화면에 해당 문자 혹은 그래프로 출력하기 위한 PC부(1-1), 상기 PC에 의한 명령에 의해 LAPS구동을 위한 직류 및 교류 입력전압을 발생하고, 센서부에 의해 검출된 신호를 변환하여 PC로 전송하기 위한 계측부(1-2), 상기 계측부로부터 입력되는 신호에 의해 전해질과의 물질반응에 의해 전해질 농도에 해당하는 신호를 출력하는 센서부(1-3), 상기 계측부로부터 출력되는 교류 신호에 의해 센서부에 광을 조사하기 위한 광원부(1-4)로 구성된다.Referring to the conventional measuring device, a PC unit (1-1) for receiving a command for measurement from a user, transmitting the same, receiving the measured result value, calculating an inflection point by differentiation, and outputting the corresponding character or graph on the screen. Measuring unit (1-2) for generating the DC and AC input voltage for driving LAPS by the command by the PC, converting the signal detected by the sensor unit and transmitting to the PC, the signal input from the measuring unit And a sensor unit 1-3 for outputting a signal corresponding to the electrolyte concentration by a material reaction with the electrolyte, and a light source unit 1-4 for irradiating light to the sensor unit by an AC signal output from the measuring unit. do.

하지만 이러한 방식들의 문제점을 살펴보면 다음과 같다. 첫째, 미분에 의한 변곡점을 검출하기 위해서 계산량이 많아진다. pH 변화량을 측정하기 위한 변곡점 검출은 특성곡선의 2차 미분에 의해 이루어지므로, 결과값 계산을 위해서 많은 계산량이 필요하게 되고 이는 측정 속도에 영향을 미친다. 둘째, 분해능이 DA변환기에 의한 바이어스 인가전압에 의해 결정되므로 DA변환기 분해능이 낮으면 전체 시스템의 분해능이 떨어진다. 실제 pH변화와 관련된 값은 바이어스 전압값이 되며 이 값들은 교정에 의해 구해진 교정곡선의 내삽으로 구해진다. 따라서, 세밀한 pH변화를 위해서는 인가되는 바이어스 전압을 세밀히 증가/감소 시켜야 하고, 이는 DA변환기의 높은 분해능을 요구한다. 셋째, 잡음에 대한 영향에 민감해 진다. 높은 분해능을 유지하기 위해서 미세한 바이어스 변화 범위를 가져야 하고, 이는 동일한 잡음 레벨에 대하여 신호 대 잡음비가 낮아지게 된다. 또한, 입력 바이어스 신호의 잡음 레벨은 신호 처리부의 증폭도에 의해 매우 큰 출력 잡음 레벨을 나타내게 된다. 따라서, 바이어스 전압에 대한 잡음의 영향이 민감해 진다. 이밖에도 처리·연산하게될 데이터가 많아질수록 전송 속도 및 메모리 공간을 많이 필요로 하며, 잡음 민감도를 줄이기 위해서는 복잡하고 정밀한 신호처리 회로가 요구된다.However, the problems of these methods are as follows. First, the amount of calculation increases in order to detect the inflection point due to the derivative. Since the inflection point detection for measuring the pH change is made by the second derivative of the characteristic curve, a large amount of calculation is required to calculate the result value, which affects the measurement speed. Second, since the resolution is determined by the bias applied voltage by the DA converter, when the resolution of the DA converter is low, the resolution of the entire system is reduced. The value associated with the actual pH change is the bias voltage value and these values are obtained by interpolation of the calibration curve obtained by the calibration. Therefore, in order to finely change the pH, the applied bias voltage must be finely increased / decreased, which requires high resolution of the DA converter. Third, it is sensitive to the influence on noise. In order to maintain high resolution, they must have a small bias variation range, which results in a low signal-to-noise ratio for the same noise level. In addition, the noise level of the input bias signal shows a very large output noise level by the amplification degree of the signal processor. Therefore, the influence of noise on the bias voltage becomes sensitive. In addition, the more data to be processed and computed, the more transfer speed and memory space is required, and in order to reduce noise sensitivity, a complicated and precise signal processing circuit is required.

또한 상기와 같이 구성된 장치에 의한 측정 방법을 도 2를 사용하여 살펴보면, 사용자의 시작 명령에 의해 센서의 동작을 위하여 LAPS소자에 직류바이어스 전압 및 교류 광 신호를 입력하는 단계(2-1), 상기 인가된 입력신호에 의해 전해질의 농도에 따라 센서로부터 출력되는 출력값을 검출기로 측정하는 단계(2-2), 상기 측정된 출력값에 의해 변곡점을 연산하는 단계(2-3), 상기 검출된 변곡점에서 실제 농도를 환산하는 결과값 계산 단계(2-4)로 구성된다.In addition, referring to FIG. 2, a measurement method using the device configured as described above is performed by inputting a DC bias voltage and an AC optical signal to a LAPS element for operation of a sensor by a user's start command (2-1). Measuring (2-2) an output value output from the sensor according to the concentration of the electrolyte by the applied input signal, calculating an inflection point based on the measured output value (2-3), and at the detected inflection point It consists of a result calculation step (2-4) that converts the actual concentration.

본 발명에서는 시간-농도 분해능을 필요로 하는 LAPS장치에 있어서, pH변화량을 측정할 때 광전류 특성 곡선의 변곡점을 찾아 이동량을 측정하는 대신에 특성곡선의 적분값 변화를 이용하여 pH변화를 검출하는 방법에 관한 것이다. 이러한 적분 방식은 측정 신호에 대한 계산량을 줄일 수 있고, 동일한 샘플링에 대해 높은 분해능을 얻을 수 있으며 랜덤한 잡음에 대한 영향을 줄일 수 있음으로 위급 상황이나 환경오염과 같이 오염 여부의 검출후 빠른 조치가 필요한 경우에 유용하게 사용하기 위한 것이다.In the present invention, in a LAPS apparatus requiring time-concentration resolution, a method of detecting pH change by using the integral value change of the characteristic curve instead of measuring the shift amount by finding the inflection point of the photocurrent characteristic curve when measuring the pH change amount It is about. This integration method can reduce the calculation amount for the measurement signal, obtain high resolution for the same sampling, and reduce the influence on random noise, so that quick action after detection of contamination such as emergency situation or environmental pollution can be achieved. It is useful when necessary.

이를 위하여 본 발명은, 시간-농도 분해능을 필요로 하는 LAPS 측정 방법에 있어서, 사용자의 시작 명령에 의해 센서의 동작을 위하여 LAPS소자에 직류 바이어스 전압 및 교류 광 신호를 입력하는 단계, 상기 인가된 입력신호에 의해 전해질의 농도에 따라 센서로부터 출력되는 출력값을 검출기로 측정하는 단계, 상기 측정된 출력값의 적분값을 연산하여 적분값을 계산하는 단계, 상기 계산된 적분값에서 실제 농도를 환산하는 결과값 계산 단계로 구성되는 것을 특징으로 한다.To this end, the present invention, in the LAPS measurement method requiring a time-concentration resolution, inputting a DC bias voltage and an AC optical signal to the LAPS element for the operation of the sensor by the user's start command, the applied input Measuring an output value output from the sensor by a detector according to the concentration of the electrolyte by a signal, calculating an integral value by calculating an integral value of the measured output value, and converting an actual concentration from the calculated integral value It is characterized by consisting of a calculation step.

도 1은 종래 LAPS측정 시스팀의 구성도.1 is a block diagram of a conventional LAPS measurement system.

도 2는 종래 LAPS측정 방법 흐름도.Figure 2 is a flow chart of a conventional LAPS measurement method.

도 3은 LAPS의 전압-전류 특성 곡선 및 변곡점 변화도Figure 3 is a voltage-current characteristic curve and inflection point change diagram of LAPS

도 4는 종래와 본 발명에 의한 측정 방법의 LAPS신호 검출도.4 is a diagram illustrating the detection of a LAPS signal of a measuring method according to the related art and the present invention.

도 5는 본 발명에 의한 LAPS측정 방법 흐름도.5 is a flowchart illustrating a method for measuring LAPS according to the present invention.

〈도면의 주요부분에 대한 보호의 설명〉Explaining the protection of the main parts of the drawing

1-1:PC부 1-2:계측부 1-3:센서부 1-4:광원부1-1: PC part 1-2: measurement part 1-3: sensor part 1-4: light source part

LAPS시스템에서 특성 곡선의 미분에 의한 변곡점 검출의 궁극적인 목적은 광전류 특성 곡선이 피측정 용액의 pH가 변화에 의해 바이어스 전압축을 따라 이동한 정도를 정량화하기 위한 것이다. 이와 같은 정량화된 이동 정도는 미생물 혹은 생화학 물질의 농도와 관련되므로 pH변화율로서 간접적인 농도 측정이 가능하게 되는 것이다. 본 발명에서는 LAPS를 이용한 다채널 pH변화량 검출 장치에 있어서, 미분 방식을 사용할 경우 나타나는 문제점을 해결하기 위한 새로운 측정 방식으로 광전류 특성곡선의 적분값 변화량을 이용한 방법에 관한 것이다.The ultimate goal of the inflection point detection by the derivative of the characteristic curve in the LAPS system is to quantify the degree to which the photocurrent characteristic curve has moved along the bias voltage axis due to the change in pH of the solution under test. Since the quantified degree is related to the concentration of microorganisms or biochemicals, the indirect concentration can be measured as the rate of change of pH. The present invention relates to a method using an integral value change amount of a photocurrent characteristic curve as a new measurement method for solving a problem that occurs when a differential method is used in a multichannel pH change amount detection device using LAPS.

도 3은 제안한 방식에 의한 pH변화 측정의 개념을 보이고 있다. (a)는 LAPS에 의해 측정된 광전류 곡선을 나타낸 것이며 (b)는 미분 방식을 사용한 변곡점을 검출할 경우 나타나는 pH변화와 제안한 방법의 적분 방식에 의한 측정값의 pH변화에 대한 궤적을 나타나고 있다. 이때 나타나는 적분값은 광전류 특성곡선의 면적에 해당하는 값이며, pH에 대한 적분값의 차이는 특성곡선의 면적의 차이가 된다. 따라서, 미분 방식에서의 변곡점 변화를 정량화하는 과정이 적분 방식에서는 면적 변화의 정량화로 이루어진다. (c)에서는 이러한 두 방식에 의해 나타나는 시간 경과에 따른 pH변화량을 나타내는 그래프로써 변화량이 일정한 간격으로 증가하는 것을 알 수 있다.Figure 3 shows the concept of pH change measurement by the proposed method. (a) shows the photocurrent curve measured by LAPS, and (b) shows the trajectory of the pH change when detecting the inflection point using the differential method and the pH change of the measured value by the integration method of the proposed method. At this time, the integrated value is a value corresponding to the area of the photocurrent characteristic curve, and the difference of the integral value with respect to pH is the difference of the area of the characteristic curve. Therefore, the process of quantifying the change of the inflection point in the differential method consists of the quantification of the area change in the integral method. In (c), the graph shows the amount of change in pH over time by these two methods, and it can be seen that the amount of change increases at regular intervals.

이러한 광전류 특성곡선에 의한 적분 방식은 특성곡선의 이동한 정도를 곡선상의 변화한 면적으로 나타낼 수 있으므로 도 4와 같이 간략하게 설명할 수 있다. 우선 이산적인 샘플링에 의한 특성곡선의 면적 변화량은 다음 식(1)과 같이 표현할 수 있다.The integration method using the photocurrent characteristic curve can be briefly described as shown in FIG. 4 because the degree of movement of the characteristic curve can be represented by the changed area on the curve. First, the area change of the characteristic curve due to discrete sampling can be expressed by the following equation (1).

여기서,V init 와V final 은 DC 바이어스의 시작전압과 최종전압을 나타내며,h는 특성곡선의 진폭에 해당하는 상수이다. 이때 측정되는 전류(I 1,I 2)는 인가되는 바이어스 전압(V)의 함수가 된다. 화학 반응에 의한 pH 변화 이전의 특성곡선을 그림의 점선 부분과 같이 표시하면 이때의 면적(A 1)은 식(2)와 같다.Where V init and V final represent the starting voltage and the final voltage of the DC bias, and h is a constant corresponding to the amplitude of the characteristic curve. The currents I 1 and I 2 measured at this time become a function of the bias voltage V applied. If the characteristic curve before the pH change by chemical reaction is displayed as the dotted line in the figure, the area ( A 1 ) at this time is as shown in Equation (2).

여기서,P ST1 와P END1 은 특성곡선 변화의 시작점과 끝점을 각각 나타내며,h는 특성곡선의 진폭을 나타낸다. 또한 pH변화에 의해 이동한 특성곡선의 간략화된 면적(A 2)은 다음 식(3)과 같다.Here, P ST1 and P END1 represent the starting point and the end point of the characteristic curve change, respectively, and h represents the amplitude of the characteristic curve. In addition, the simplified area ( A 2 ) of the characteristic curve shifted by pH change is shown in Equation (3).

따라서, 두 곡선의 면적 변화량은 다음 식(4)와 같다.Therefore, the area change amount of the two curves is shown in the following equation (4).

따라서, 특성곡선의 변화 정도에 해당하는 변곡점의 이동 변위(d)는 특성 곡선의 면적 변화량(A 2-A 1)과 비례함을 알 수 있다. 이렇게 측정된 면적변화에서 측정된 면적을A measu , 초기면적을A o , 단위 pH당 나타나는 면적을A normal 이라고 할 때 농도 환산은 다음 식(5)에 의해 이루어질 수 있다.Therefore, the movement of the turning point corresponding to the degree of change in the displacement characteristic curve (d) shows the area change amount of the characteristic curve - it can be seen that, relative to the (A 2 A 1). When the measured area is A measu , the initial area is A o , and the area appearing per unit pH is A normal , the concentration conversion can be made by the following equation (5).

이와 같은 적분 방법을 이용한 측정에 대한 내용을 도 5를 이용하여 살펴보면, 먼저 사용자가 PC를 통하여 측정 시작 명령을 입력하게 되면 이에 의해 센서의 동작을 위하여 계측기가 LAPS소자에 직류 바이어스 전압 및 교류 광 신호를 입력하게 된다. 이는 LAPS가 정확한 동작을 하기 위한 조건을 제공하는 역할을 한다. 상기 인가된 입력 신호에 의해 전해질의 농도에 따라 센서로부터 전류 혹은 전압 형태의 신호가 출력되고 이를 적당한 크기 및 형태의 신호로 변환하여 출력값을 검출기로 측정하게 된다. 이때 출력신호는 매우 작은 값을 나타내므로 본 발명은 신호 대 잡음비가 높은 것으로 알려진 Lock-In 증폭기를 사용하였다. 이렇게 측정된 출력값으로부터 농도를 계산하기 위하여 측정값의 누적 적분값을 연산하게 되고, 계산된 적분값을 이용하여 표준 곡선에 의해 미리 정해진 기울기 정보와 비교하여 실제 농도를 환산하게 된다.Referring to FIG. 5, the measurement method using the integration method is described. First, when a user inputs a measurement start command through a PC, the instrument provides a DC bias voltage and an AC optical signal to the LAPS element for the operation of the sensor. Will be entered. This serves to provide conditions for LAPS to operate correctly. According to the applied input signal, a signal in the form of current or voltage is output from the sensor according to the concentration of the electrolyte, and converted into a signal having a suitable size and shape, and the output value is measured by a detector. In this case, since the output signal shows a very small value, the present invention uses a lock-in amplifier known to have a high signal-to-noise ratio. The cumulative integral value of the measured value is calculated in order to calculate the concentration from the measured output value, and the actual concentration is converted by comparing with the slope information predetermined by the standard curve using the calculated integral value.

이와 같은 적분 방법에 의한 pH변화 측정은 다음과 같은 장점을 가진다.The pH change measurement by the integration method has the following advantages.

첫째, 동일한 샘플링 수에 의해 분해능 증가 할 수 있다. 미분 방식에 의한 측정에서는 측정 분해능이 DA바이어스의 전압 분해능에 의존하게 된다. 이는 DA바이어스 값의 이동을 관찰하기 위한 것으로 바이어스의 이동 정도를 가능한 한 줄임으로써 현재 변곡점의 추정을 하게 된다. 하지만 적분 방식의 경우에는 측정분해능은 적분값을 얻기 위한 AD변환기의 분해능에 의존하게 되며 이 분해능으로 적분을 수행하게 됨으로 샘플링 수에 비례하게 된다. 따라서, 미분방식에서 사용되는 DA와 동일한 분해능의 AD를 사용하여 N회 측정을 수행할 경우 이론적인 분해능은 N배 증가하게 된다.First, the resolution can be increased by the same sampling number. In the differential measurement, the measurement resolution depends on the voltage resolution of the DA bias. This is to observe the shift of the DA bias value, and to estimate the current inflection point by reducing the bias movement as much as possible. However, in the case of the integral method, the measurement resolution depends on the resolution of the AD converter to obtain the integral value, which is proportional to the number of sampling because the integration is performed at this resolution. Therefore, when N measurements are performed using AD having the same resolution as DA used in the differential method, the theoretical resolution increases by N times.

Resolution(미분) ∝Bit of DA Converter Resolution (Derivative) ∝ Bit of DA Converter

Resolution(적분) ∝Sampling Time* (Bit of AD Converter) Resolution(Integral) ∝Sampling Time* (Bit of AD Converter)

둘째, 측정 속도를 빠르게 할 수 있다. 적분 방식은 적은 샘플링에 의해 동일한 분해능을 나타낼 수 있으므로 샘플링 수를 줄일 수 있으며 이는 측정 속도와 관련을 가진다. 따라서 9600 bps의 전송 속도로 PC와 통신을 수행하여 1초마다 측정 동작을 수행하는 경우에 측정 속도의 증가가 필수적이다.Second, the measurement speed can be increased. Integral methods can exhibit the same resolution with less sampling, thus reducing the number of samplings, which is related to the measurement speed. Therefore, it is necessary to increase the measurement speed when performing a measurement operation every second by communicating with a PC at a transmission rate of 9600 bps.

셋째, 노이즈에 대한 영향을 줄일 수 있다. 일반적으로 노이즈는 랜덤하게 발생되며 계측기의 개발에 있어서는 취급하기가 어려운 문제중의 하나이다. 특정 주파수의 노이즈 제거를 위해서는 대역제거 필터나 대역통과 필터가 많이 사용되지만 랜덤한 노이즈에 대해서는 평균에 의한 노이즈 제거가 가장 일반적이다. 이는 랜덤 노이즈의 평균은 0임을 이용한 것으로 계측기의 노이즈 제거에 많이 사용되는 방법이다. 따라서, 적분 방식을 사용하게 되면 신호 성분뿐만 아니라 노이즈 성분에 의한 합이 이루어지므로 랜덤 노이즈에 대한 장점을 가질 수 있다.Third, the influence on noise can be reduced. In general, noise is generated randomly and is one of the problems that is difficult to handle in the development of a measuring instrument. In order to remove noise at a specific frequency, a band-reduction filter or a bandpass filter is frequently used. However, for a random noise, noise reduction by an average is most common. This means that the average of the random noise is 0, which is widely used to remove the noise of the instrument. Therefore, when the integration method is used, the sum is generated not only by the signal component but also by the noise component, and thus may have an advantage of random noise.

따라서, 상기의 적분 방법에 의한 측정은 적은 샘플링에 의해 미세한 pH변화량을 검출할수 있으므로 측정 시간을 단축할수 있고 이는 시간-농도 분해능을 필요로 하는 생화학 무기의 공격에 의한 위급 상황이나, 환경오염 감시와 같은 빠른 시간내에 검출을 수행하고 이에 대한 조치가 필요한 분야에서 유용할 것이다.Therefore, the measurement by the integration method can detect a small amount of pH change by a small sampling, so that the measurement time can be shortened, and it is possible to monitor the environmental pollution and the emergency situation caused by the attack of biochemical weapons requiring time-concentration resolution. It would be useful in fields where detection is needed and actions need to be taken in the same fast time.

Claims (1)

시간-농도 분해능을 필요로 하는 LAPS 측정 방법에 있어서, 이를 위하여 본 발명은 사용자의 시작 명령에 의해 센서의 동작을 위하여 LAPS소자에 직류 바이어스 전압 및 교류 광 신호를 입력하는 단계, 상기 인가된 입력 신호에 의해 전해질의 농도에 따라 센서로부터 출력되는 출력값을 검출기로 측정하는 단계, 상기 측정된 출력값의 적분값을 연산하여 적분값을 계산하는 단계, 상기 계산된 적분값에서 실제 농도를 환산하는 결과값 계산 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 다채널 LAPS용 신호 검출 방법In the LAPS measuring method requiring time-concentration resolution, to this end, the present invention comprises the steps of inputting a DC bias voltage and an AC optical signal to the LAPS element for the operation of the sensor by the user's start command, the applied input signal Measuring an output value output from the sensor according to the concentration of the electrolyte by a detector, calculating an integral value by calculating an integral value of the measured output value, and calculating a result value of converting an actual concentration from the calculated integrated value Signal detection method for multi-channel LAPS, characterized in that consisting of steps
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CN102230912A (en) * 2011-03-21 2011-11-02 桂林电子科技大学 Measuring cell for light-addressable potentiometric sensor
CN102230912B (en) * 2011-03-21 2016-12-14 桂林电子科技大学 A kind of measuring cell for light-addressable potentiometric sensor

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