KR20070018839A - 화학적 또는 생물학적 물질의 분석 대상물 농도 측정시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다중 화학적 또는 생물학적 물질의 현장 분석을 필요로 하는 다중 화학적 또는 생물학적 물질의 농도를 측정하는 핸드헬드 시스템 및 방법에 관한 것이다. 새롭고 독창적인 핸드헬드 센서 시스템은, 흡광도 변경, 발광 변경, 및 다른 형태의 광 기반 응답의 변경을 통해 특정 분석 대상물에 대한 테스트 엘리먼트 응답을 측정하는 분광 검출기 및 일회성 광학 테스트 엘리먼트를 이용한다. 이러한 방식으로, 테스트 엘리먼트 응답을 가리키는 반사 광 강도를 이용하여 타깃 분석 대상물의 농도를 측정할 수 있다. 센서 시스템은 정보 처리 유닛 또는 컴퓨터에 인터페이싱될 수도 있어 분석 데이터를 조작하거나 전자적으로 저장할 수 있다.

Description

화학적 또는 생물학적 물질의 분석 대상물 농도 측정 시스템 및 방법{A HANDHELD DEVICE WITH A DISPOSABLE ELEMENT FOR CHEMICAL ANALYSIS OF MULTIPLE ANALYTES}

본 발명은 일반적으로 분광광도법에 의한 화학 물질의 분석 및 측정용 방법 및 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로, 일회성 광학 테스트 엘리먼트 및 분광 검출기를 이용하는 다중 물질들의 정량 결정용 휴대용 핸드헬드 센서 시스템에 관한 것이다.

다양한 화학 물질이 샘플에서 존재하는 물질의 농도에 비례하여 광을 흡수한다고 알려져 있다. 게다가, 이러한 물질을 통과하는 광은 그 물질의 흡광 특성 및 그 광이 통과하는 다른 임의의 매체의 특성에 의해 특징지어지는 흡광 스펙트럼을 갖고 있다. 이러한 흡광 스펙트럼은 분석을 위해 프리즘 형태로 나타낼 수 있다. 강도 손실 및 다른 흡광체로 인한 흡광 스펙트럼의 일부를 무시함으로써, 화학 물질의 스펙트럼을 분리할 수 있고 그 물질의 본질 및 농도를 결정할 수 있다. 무시 또는 참조화는 화학 물질의 부재시 광원의 흡광 스펙트럼 및 임의의 분광 광도 성 분을 결정함으로써 행해진다. 참조화는 일반적으로 에러를 최소화하도록 시간 및 공간에 대하여 화학 물질의 흡광도 측정에 근접하게 행해진다.

화학 물질의 농도를 측정하는데 있어서 휴대용 배터리 전원공급 장치가 상업용으로 이용가능하다고 널리 알려져 있다. 그 예로는 Hach사의 휴대용 광도계 및 Merck사의 휴대용 반사계가 있다. 광도 시스템 및 반사 시스템의 상세한 설명은, Comprehensive Analytical Chemistry, Chemical Test Methods of Analysis, (Y. A. Zolotov et al., Elsevier, New York (2002)), 및 Review of Scientific Instruments, (Kostov, Y. and Rao, G. , Vol. 71, 4361, (2000))의 리뷰 페이퍼에 기재되어 있다. 이러한 시스템들을 이용함으로써 실험실 외부에서 화학 분석을 행하게 된다. 그러나, 아래와 같은 부분들에 대하여 개선할 필요가 있다.

1. 휴대용 기구를 이용한 일부 테스트에서 독성 또는 부식성 시약을 사용한다. 일부에서는 단일 테스트용으로 많은 양의 고체 시약을 사용한다. 예를 들어, 많은 Hach 테스트 방법들에서는 단일 분석 대상물에 대하여 200mg 이상의 고체 시약을 사용한다.

2. 운영자는 시약 및 샘플을 측정 유닛 내로 전달해야 한다. 샘플 조작 및 시약 핸들링은 화학 분석에 있어서 불편한 부분이며 운영자 간 에러를 증가시킨다.

3. 습식 화학 분석으로부터 발생하는 액체 폐기물은 적절한 법에 따라 안전하게 처리되어야 한다.

4. 현재 이용가능한 테스트 방법들로는 단일 테스트로 하나의 관련없는 분석 대상물 초과를 쉽게 결정할 수 없다.

5. 대부분의 휴대용 장치들은 데이터 해석 및 저장 기능을 갖고 있지만, 대부분의 테스트 결과는 여전히 데이터베이스로 수동으로 전달되어야 한다.

테스트 스트립을 이용하는 다른 방법들이 많은 분석 대상물에 대하여 반정량(semi-quantitative) 분석용으로 널리 시도되었다. 여기서, 광도계에 의해 판독되는 일회성 광학 센서 엘리먼트로 정량 결과를 얻을 수 있다. 대부분의 경우, 광학 센서 엘리먼트에 의해 단일 분석 대상물만이 결정된다. 투과 흡광도를 측정하기 때문에, 교정 없는 테스트를 위한 일회성 광학 센서 엘리먼트를 제조하기 어렵다.

일회성 화학 센서들은 당해 기술에 널리 알려져 있다. 예를 들어, 미국 특허번호 5,830,134는, 부분적 일회성 감시 유닛을 이용함으로써 발생하는 인자들처럼 많은 교란 인자들을 보상하도록 설계된 물리 화학적 파라미터들을 검출하는 센서 시스템을 개시하고 있으며, 이에 따라 교정 단계들이 필요 없게 된다.

다른 미국특허 5,156,972는, 흡광, 광 발산, 광 산란, 편광, 및 전자화학적 및 압전 측정 파라미터에 기초하는 화학 센서를 개시하고 있다.

광학 태건트(taggant) 및 화학 센서용 광학 산란 제어 방출이 미국 특허 6,528,318에 개시되어 있다.

참조 및 지시기 센서를 이용하는 센서 어레이는 알려져 있으며 미국 특허 4,225,410에 개시되어 있다. 여기서, 센서는 각 분석을 직접 판독할 수 있는 것처럼 개별적으로 교정될 수 있다.

미국 특허 5,738,992는 참조 물질을 활용하여 형광 도파관 센서 측정을 정정 하는 방법을 개시하고 있다. 미국 특허 5,631,170은 도파관에 참조 시약으로 라벨링함으로써 형광 도파관 센서용 참조 방법을 교시하고 있다. 본 발명에서 사용되는 내부 흡광도 표준 방법은 여러 가지 면에서 종래 기술과 기본적으로 다르다는 점에 주목하길 바란다.

먼저, 본 발명에서 사용되는 다중각 산란 유도 흡광도 검출 기술은 입사 빔 파장과 대략 같은 크기의 막 두께를 갖는 얇은 엘리먼트를 사용하는 전통적인 감쇄 전반사(ATR) 센서와 다르다. 이러한 얇은 엘리먼트는 내부 참조용으로 기능하는 플루오로퍼(fluorophore)를 포함할 수도 있다. 반면, 본 시스템은 입사 빔 파장에 가까운 두께를 필요로 하지 않으며 흡광도에 기초하는 다른 내부 참조를 이용하는 두꺼운 막 엘리먼트에 속한다.

2개 파장 또는 이중 빔 방법들은 분광 광도 분석에 있어서 알려져 있다. "Referencing Systems for Evanescent Wave Sensors," (Stewart, G. et al., Proc. Of SPIE, 1314,262 (1990))에서는, 센서 표면상의 오염 영향을 보상하는 2개 파장 방법을 제안하고 있다. Loeppert의 미국 특허 4,760,250은, 피드백 제어 광원을 이용하여 광원 안정성 및 컴포넌트 에이징과 관련된 문제점들을 최소화하는 환경 특성을 측정하는 광전자 시스템을 개시하고 있다. 유사한 피드백 제어 2개 파장 방법이 Vurek의 미국 특허 3,799,672에 개시되어 있다. 이중 빔 반사 분광광도계가 "Optical Fiber Sensor for Detection of Hydrogen Cyanide in Air, " (Jawad, S. M. and Alder, J. F., Anal. Chien. Acta 259,246 (1991))에 개시되어 있다. Jawad 및 Alder의 방법에서는, 2개의 LED에 교대로 에너지를 공급하고 있다. 2개 파장에서의 출력들의 비를 이용하여 시안화 수소 검출용 센서 엘리먼트의 배경 흡광에 의해 야기된 에러를 줄인다. 이러한 2개 파장 방법들은 광원의 장기간 안정성 문제들 그리고 광학 및 기계적 컴포넌트 에이징에 의해 야기된 에러들을 최소화하는데 효과적이다. 그러나, 일회성 테스트 엘리먼트의 효과적인 광학 패스 길이에서의 변동과 관련된 에러들을 해결하지 못하고 있다.

폐기가능 또는 일회성 측정 장치를 포함하고 더 포함하는 일회성 센서 시스템이 미국 특허 5,114,859호에 개시되어 있다.

또한, 미국 특허 6,007,775에서는 미세가공(microfabricated) 센서들로 다중 분석 대상물들의 분석을 행하고 있다.

"Application of a Plastic Evanescent-Wave Sensor to Immunological Measurements of CKMB," (Slovacek, R. E.; Love, W. F.; Furlong, S.C.., Sensors and Actuators B, 29, pp. 67-71, (1995))에서는, 넌 크리티컬 표면에 의해 핸들링되는 센서를 개선된 견고성을 갖추어 제조할 수 있다는 것을 증명하였다. 이러한 감지 엘리먼트는 감지 화학물들이 증착되는 단부가 둔감한 플라스틱 콘으로서 제조되었다. 감지 엘리먼트는 플라스틱으로부터 사출 성형되어, 상업용으로 이용가능하게 되었다.

결국, 알려져 있는 기존의 센서들은 필드 분석 응용을 위한 자신들의 응용성을 제한하는 여러 가지 현저한 단점이 있다. 이러한 단점들의 예는 아래와 같다.

1. 정밀한 판독을 수행하도록 센서에서 테스팅 스트립의 크리티컬 정렬이 필요하다.

2. 테스팅 스트립 품질에서의 변동(매입형 시약 농도, 효과적인 광학 경로 길이, 및 컴포넌트 에이징)에 의해 야기되는 에러들을 줄일 필요가 있다.

3. 테스팅 엘리먼트가 샘플에 노출될 때 이 엘리먼트에서의 물리적 변경으로 인해 야기되는 에러들, 예를 들어, 팽창, 수축, 또는/및 크레이징(crazing)과 같은 에러들을 줄일 필요가 있다.

4. 정밀 분석을 위한 화학 센서 응답에 있어서 스테디 스테이트 응답을 결정할 필요가 있다.

5. 비가역 화학물로부터 동적 센서 정보를 수집할 수 없다.

6. 샘플에 노출시 비가역 화학물로부터 실시간 정보를 수집할 수 없다.

7. 다중 비가역 화학물로부터의 동적 센서 정보를 분석할 수 없어 센서 시스템의 개선된 수량화 기능을 제공할 수 없다.

상술한 종래 기술에서의 단점들 때문에, 저 비용의 휴대성 및 교정 없는 센서 시스템을 제시하지 못하였다. 본 발명의 센서 시스템은 상술한 단점들을 해결하는 것이다. 특히, 본 발명의 센서는, 농도 레벨을 정량화하기 위해 샘플이 센서와 반응할 때 비가역 센서 화학물들의 동역학적 또는 동적 응답의 변경의 비율을 추적함으로써 동적 정보를 수집할 수 있다.

상술한 바를 고려할 때, 본 발명의 목적은 분석 대상물 농도의 정량 결정을 위한 휴대용 일회성 핸드헬드 센서 시스템을 제공하는 것이다. 또한, 새로운 각각의 분석 세트 전에 교정을 요구하지 않는 시스템을 제공하는 것이 바람직하다. 이러한 점에서, 본 시스템은 동일한 센서 엘리먼트에 대하여 이중 광 분석을 이용하 며, 여기서 샘플 응답을 내부 참조와 비교하여, 새로운 각각의 분석 세트 전에 교정이 필요 없게 된다. 게다가, 내부 참조를 이용함으로써 장치에 대한 광학적 및 기계적 결합 요구사항들을 상당히 줄이고, 이에 따라 테스팅 결과의 정밀도에는 최소한의 영향을 끼치면서 제조 및 조립 프로세스의 비용 면에서 이점을 제공하게 된다.

본 발명의 다른 목적은, 정보 처리 유닛, 예를 들어, 포켓 퍼스널 컴퓨터 또는 무선 이동 전화나 위성과 통신할 수 있는 센서에 의해 분석 데이터를 조작, 전송, 또는 전자적으로 저장할 수 있는 센서를 제공하는 것이다.

본 발명은 어떠한 액체 시약도 필요하지 않은 일반적인 광도계 및/또는 분광 테스트 방법을 제공하는 점에 주목하길 바란다. 이것은 테스트를 간략화할 뿐만 아니라 독성 시약 재료의 핸들링 및 처리와 관련된 비용 및 노동 집약적 요구사항들을 줄인다.

본 발명은 화학 물질에서의 분석 대상물 농도를 측정하는 휴대용 일회성 핸드헬드 센서 시스템을 제공한다. 이 시스템은 액체 시약이 필요 없으며 새로운 각 분석 세트 전에 교정이 필요없는 일반적인 광도계 및/또는 분광 테스트 방법을 제공한다. 이 시스템의 주요 구성 요소는, 일회성 테스트 엘리먼트 상에 고정된 박막 감지 시약, 재생가능 방식으로 테스트 엘리먼트를 장착하는 어댑터, 및 테스트 엘리먼트로부터 광도 응답을 야기할 수 있는 광원을 포함한다. 이에 따라, 시스템은, 적절한 결합 장치들, 고정 수단(fixturing), 전원, 전자 회로부와 조합하여 상업용으로 이용가능한 광학 광원 및 광검출기 소자들을 포함하여, 데이터를 컴퓨터 또는 다른 디스플레이, 저장 또는 처리 유닛에 인터페이싱하고 전송할 수 있게 된다.

또한, 이 시스템은 감지 측정 동안 테스트 엘리먼트를 주변 광으로부터 분리하는 클로저(closure)와 같이 자신의 주요 기능을 지원하는 추가 장치를 고려한다. 또한, 본 발명은 복수의 분석 대상물을 단일 다중 기획적 테스트 엘리먼트로 측정하도록 확장가능하고 화학적 또는 생물학적 샘플의 온사이트 분석이 필요한 실질적으로 임의의 위치로 쉽게 운반될 수 있는 고 반응성 센서 시스템을 제공한다는 것을 이해할 수 있다. 이러한 위치의 예로는 떨어져 있는 호수나 시내, 또는 높은 빌딩의 지붕 상의 쿨링 타워가 있다.

본 발명 및 종래 기술에 대한 본 발명의 이점은 첨부 도면을 참조하여 다음에 따르는 상세한 설명 및 청구범위를 읽음으로써 자명해질 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 핸드헬드 시스템의 투시도이다.

도 2는 본 발명의 대체 실시예에 따른 다중 구획적 일회성 광학 엘리먼트의 정면도이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 일회성 테스트 엘리먼트의 투시도이다.

도 4는 다중 구획적 테스트 엘리먼트를 이용하는 본 발명의 일 실시예에 따 른 핸드헬드 센서 시스템의 투시도이다.

도 5는 단일 분석 대상물로부터의 이중 파장 응답의 일 예를 나타내는 도면이다.

도 6은 상이한 잉크 농도들의 노광으로부터의 스펙트럼 응답 변경을 나타내는 일련의 흡광 레벨들의 일 예를 나타내는 도면이다.

도 7은 본 발명의 일 예에 따른 다른 측정 구성의 투시도이다.

도 8은 폴리카르보네이트 반사 엘리먼트로 얻어지는 샘플 스펙트럼 및 베이스라인 스펙트럼의 일 예를 나타내는 도면이다.

도 9는 참조 정정 전의 0.5ppm NaOCl에 대한 샘플 스펙트럼과 이에 따라 광학 엘리먼트 위치가 엄격히 제어된 일 예를 나타내는 도면이다.

도 10은 참조 정정 후의 0.5ppm NaOCl에 대한 샘플 스펙트럼과 이에 따라 광학 엘리먼트 위치가 엄격히 제어된 일 예를 나타내는 도면이다.

도 11은 표 1에 열거되어 있는 참조 정정된 흡광에 대한 교정 곡선의 일 예를 나타내는 도면이다.

도 12는 참조 정정 전의 0.5ppm NaOCl에 대한 샘플 스펙트럼과 이에 따라 광학 엘리먼트 위치가 엄격히 제어되지 못한 일 예를 나타내는 도면이다.

도 13은 참조 정정 후의 0.5ppm NaOCl에 대한 샘플 스펙트럼과 이에 따라 광학 엘리먼트 위치가 엄격히 제어되지 못한 일 예를 나타내는 도면이다.

도 14는 예 1 용으로 이용되는 측정 구성을 개략적으로 설명하는 도면이다.

도 15는 예 5 용으로 이용되는 핸드헬드 센서 시스템을 개략적으로 설명하는 도면이다.

도 16은 예 5 용으로 이용되는 핸드헬드 센서의 투시도이다.

도 17은 예 5에서 설명하는 핸드헬드 센서로 얻어지는 교정 곡선을 나타내는 도면이다.

본 발명은 소정의 화학 물질의 반응 특성, 예를 들어, 다른 화학물인 선택 분석 대상물과 반응하는 물질의 특성을 활용함으로써 화학 물질의 농도를 측정하는 방법 및 장치에 관한 것으로서, 제 1 시약에서의 화학 변경이 야기되고, 원래의 화학 함유 물질의 흡광 특성의 변경이 발생하게 된다. 동작시, 본 발명은 흡광도, 발광, 광 산란, 또는 다른 광 기반 응답의 변경을 통해 특정 분석 대상물에 대한 테스트 엘리먼트 응답을 측정한다. 본 발명에서 설명하는 분석 대상물은 화학종(species)이지만, 본 발명은 생물학적 분석 대상물 상호 작용이 유사 테스트 엘리먼트 응답을 자극하는 생물학적 시스템을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 이러한 생물학적 시스템은, 분석 대상물 농도에 비례하여 광 응답을 자극하는 고정된 효소, 예를 들어, 에이티피아제(ATP)에 대한 발광 효소 응답일 수 있다.

도면을 참조해 보면, 도 1은 어댑터(4) 상으로 탈착 가능하게 장착되며 대략 유리 현미경 슬라이드 크기의 일회성 테스트 엘리먼트(2)를 포함하는 기본적인 센서 시스템을 도시하고 있다. 테스트 엘리먼트(2)는 일반적으로 1보다 큰 굴절률을 갖는 유리 또는 유기 폴리머 물질과 같은 임의의 적절히 투명한 물질로 형성된다. 테스트 엘리먼트의 일부는, 컬러 생성물을 갖기 위해 분석 대상물과 반응하는데 필요한 시약을 함유하는 얇고도 투명한 폴리머 막의 한면 또는 양면 상에 코팅된다. 시약막은, 테스트 엘리먼트를 딥 코팅(dip coating) 또는 스핀 코팅하거나 당해 기술에 알려져 있는 다른 수단에 의해 테스트 엘리먼트 상에 고정될 수 있다. 테스트 엘리먼트의 일부를 코팅하는 것에 더하여, 전체 테스트 엘리먼트를 코팅하여도 된다. 상술한 시약 물질과 조합하여, 반응성 막 코팅도 내부 흡광도 표준 또는 내부 참조를 제공하는 참조 다이를 포함하고, 이에 따라 시약 다이 막 혼합물(n₂)의 굴절률이 n보다 작거나 클 수 있다. 참조 다이는 막 코팅과 혼합되어 일정한 내부 흡광 표준을 갖는 시약막 합성물을 제공하게 된다. 다시 말하면, 시약 막 합성물의 참조 다이 컴포넌트는 제1 흡광도 응답을 제공하고, 시약 자체는 제 2 흡광도 응답을 제공하여, 시약 막 합성물이 입사광 에너지에 대한 이중 광 흡광 응답(즉, 이중 광 응답)을 제공할 수 있게 된다. 그러나, 시약 자체와는 달리, 참조 다이는 분석 대상물과 반응하지 않는다. 이에 따라, 테스트 엘리먼트의 광학적 및 기계적 특성이 변경되지 않은 경우, 테스트 엘리먼트가 샘플에 노출되기 전 및 후에, 다이의 스펙트럼 프로파일은 하나의 테스트 엘리먼트로부터 다른 테스트 엘리먼트까지 일정하다. 게다가, 참조 다이 및 시약은 상이한 흡광 스펙트럼을 갖기 때문에, 참조 다이의 스펙트럼 프로파일은, 시약과 분석 대상물 간의 반응에 대한 테스트 엘리먼트 응답을 측정하는데 사용되는, 타깃 검출 파장, 또는 파장들의 범위를 감지할 수 있을 정도로 중첩되지 않는다. 참조 다이와 시약 간에 이러한 비중첩 벤치 마크 응답 차분을 제공함으로써, 시약 막 합성물은 내부 흡광 표준 또는 내부 참조를 제공하고, 이에 따라 각각의 새로운 분석 세트 전에 외부 교정 및 장치 교정을 필요로 하지 않는 내부 이중 광 응답을 제공하게 된다. 상세히 후술하는 바와 같이, 내부 참조도 장치에서 장치로의 응답 변동을 최소화하여, 테스트 결과의 정밀도에 최소한의 영향을 끼치면서 상당한 제조 및 유지 비용 이점을 제공한다는 것을 이해할 수 있다. 그 결과, 본 발명의 특징 및 피처(feature)는 비용 효율적인 생산, 조립, 및 소형화에 적합하다. 상술한 내부 참조는 색채계 다이이지만, 이것은 단지 가능한 많은 실시예들 중 하나일 뿐이다. 분석 대상물 검출 화학물과 반응하지 않으며 검출 스펙트럼 밖의 스펙트럼 응답을 갖는 임의의 표준이 내부 표준으로서 기능할 수 있다. 이 물질은, 필요로 하는 스펙트럼 응답을 생성하고 막 변동으로 인한 에러를 정정하는데 사용될 수 있는 무기 합성물, 안료, 다이, 또는 마이크로-나노입자일 수 있다.

도 1을 참조하면, 장착 어댑터(4)는, LED, 레이저 다이오드, 또는 소형 전구와 같이 광 에너지(21)를 방출할 수 있는 임의의 수단일 수 있는 적어도 하나의 광원(6)을 포함한다. 어댑터(4)는, 광 에너지(22)를 검출할 수 있으며 이 에너지를 타깃 분석 대상물 또는 복수의 타깃 분석 대상물에 대한 테스트 엘리먼트 응답을 가리키는 전기 출력 신호로 변환할 수 있는 임의의 수단일 수 있는 적어도 하나의 광검출기(8)를 더 포함한다. 이러한 전기 출력 신호는 회로 와이어(14)를 통해 신호 변환기(5)로 전송된다. 광다이오드, 마이크로머신 광 배율 튜브, 또는 광셀과 같이 당해 기술에 널리 알려져 있는 상업용으로 이용가능한 많은 광검출기를 이용 하여 필요로 하는 성능을 얻을 수 있다는 것을 이해할 수 있다.

어댑터(4)는 테스트 엘리먼트(2)를 정렬하여 광원(6) 및 광검출기(8)에 대하여 적합한 재생가능 위치에 위치시키는 고정 수단(44)을 더 포함한다. 상세히 후술하는 바와 같이, 본 발명은 테스트 엘리먼트의 제어 및 엄격한 위치 설정을 제공하는데 있어서 고정 수단(44)을 필요로 하지 않는다. 대신에, 광원 및 광검출기에 대하여 테스트 엘리먼트(2)의 적당하거나 적합한 제어가 정밀하고도 재생가능 흡광 결과를 얻는데 있어서 효과적이라는 점을 발견하였으며, 이에 따라 제조, 유지 보수, 및 조립 요구 사항에 있어서 비용 이점을 제공하게 된다.

전원 스위치(9)가 활성화된 동작시, 광원(6)은 콜리메이트되지 않고 초점이 맞춰지지 않은 광 빔을 생성한다. 도 3에 도시되어 있듯이, 콜리메이트되지 않고 초점이 맞춰지지 않은 광 빔은 상이한 각도들에서, 즉, 테스트 엘리먼트의 임계 각도보다 크고 작은 각도들에서 테스트 엘리먼트와 충돌한다. 상세히 후술하는 바와 같이, 입사광 에너지의 일부는 테스트 엘리먼트 상에 고정된 시약 막 합성물과 반응한다. 일단 이러한 입사광 에너지가 시약 막 합성물을 통해 전달되면, 광검출기는 한 쌍의 광 응답 스펙트럼을 검출할 수 있으며, 즉, 광검출기는 내부 참조 다이만으로부터의 제1 광 응답, 및 시약 막 자체로부터의 제2 광 응답을 검출하고, 이에 따라 그 장치는 입사광 테스트 엘리먼트 상호작용으로부터 이중 광 응답을 검출할 수 있게 된다. 이러한 방식으로, 각각의 새로운 분석 세트 전에 외부 교정 없이 테스트 엘리먼트 광 응답 스펙트럼에서의 임의의 변경을 검출하고 측정할 수 있다. 게다가, 입사광 빔의 콜리메이트되지 않고 초점이 맞춰지지 않은 속성으로 인 해, 비교적 정밀한 테스트 결과를 제공하는데 있어서 고정 수단(44)에 의한 테스트 엘리먼트의 위치 설정 및 엄격한 제어가 필요하지 않다는 것을 알 수 있다. 대신에, 고정 수단(44)은 테스트 엘리먼트(2)의 적정하거나 적합한 위치 제어를 제공하기만 되므로, 제조 프로세스에서의 비용 절약이 가능하다.

어댑터(4)는 센서 시스템에 전력을 공급하는 배터리(7)를 더 포함하며, 당업자라면 다른 많은 수단을 이용하여 센서 시스템에 전력을 공급해도 된다는 것을 이해할 것이다. 또한, 신호 변환기(5)가 신호 처리 유닛(10)과 통신할 수 있게 하여 광검출기(8)에 의해 생성되는 전기 출력 신호를 처리하고 전자적으로 저장할 수 있는 적절한 전자 수단을 제공한다. 당해 기술에 널리 알려져 있는 많은 구성을 활용하여 인터페이스(12)를 통해 외부 처리 유닛(10), 예를 들어, 핸드헬드 컴퓨터, PDA, 또는 다른 무선 전송 장치와 통신할 수 있는 실시예를 포함하여 상술한 실시예와 동일한 성능을 얻을 수 있음을 이해할 수 있다. 게다가, 내장 처리 유닛(도시하지 않음)을 포함하는 실시예를 이용할 수도 있음을 이해할 수 있다.

예를 들어, 광원(6)은 탈착 가능한 테스트 엘리먼트(2)의 에지 부근에 위치하여 광원으로부터 방출된 입사광 파장(21)이 테스트 엘리먼트의 에지(23)에 충돌하며, 여기서 도 1에 도시되어 있듯이 콜리메이트되지 않고 초점이 맞춰지지 않은 광원으로부터의 광 빔이 복수의 상이한 각도들에서 테스트 엘리먼트에 충돌하지만, 이러한 예로 한정되지 않는다. 기판(n₂)의 굴절률로부터 테스트 엘리먼트의 임계각을 계산하고 식(Θ_c = sin^-1(n₂/n₁))으로부터 공기(n₁)의 굴절률을 계산할 수 있다는 것은 널리 알려져 있으며, 여기서 Θ_c는 임계각이다. 도 3을 참조하면, 발산 광 빔(21)은 약 45°로 테스트 엘리먼트의 에지로 향한다. 광 빔(21)이 콜리메이트되지 않고 초점이 맞춰지지 않은 상태이기 때문에, 입사 광자들(21) 중 일부는 임계각보다 큰 각도로 테스트 엘리먼트(2)에 충돌하는 한편, 다른 입사 광자들은 임계각보다 작은 각도로 테스트 엘리먼트에 충돌한다. 광자들(21)의 입사각이 임계각(Θ_c)보다 큰 경우, 광 빔은 막-공기 인터페이스에서 모두 반사된다. 이러한 현상을 전반사라 칭한다. 반면에, 광 빔의 입사각이 Θ_c보다 작은 경우, 입사광 빔은 막-공기 인터페이스에서 부분적으로 반사된다. 이러한 현상을 부분 반사라 칭한다.

전반사의 경우, 광 빔(21)의 일부가 테스트 엘리먼트의 막-공기 인터페이스에서 전반사되지만, 반사된 광 에너지의 일부는 막을 관통하여 인터페이스에 평행한 짧은 거리를 이동한 것처럼 기판으로 재진입할 수 있다. 이 에너지를 도 3에 도시한 바와 같이 에버네센트(evanescent) 필드 또는 에버네센트파(20E)라 칭한다. 반응성 막 코팅(18)이 테스트 엘리먼트의 표면상에 고정되어 있기 때문에, 에버네센트파(20E)의 일부는 기판-막 인터페이스에서 막 코팅(18)에 의해 흡수(감쇄)된다. 이러한 현상을 감쇄 전반사(ATR)라 칭한다. 부분 반사의 경우, 입사광 빔(21)의 부분적으로 반사된 광자들이 유사하게 에버네센트파(20E)를 형성할 수 있고 막 코팅에 의해 흡수될 수 있는 한편, 반사되지 않은 나머지 광자들은 주위 환경으로 손실될 수 있다. 이러한 현상을 감쇄 부분 반사(APR)라 칭한다. APR의 효 율성을 증가하기 위해, 반사 코팅(19)을 테스트 엘리먼트의 단부 상에 고정할 수 있고, 이에 따라 테스트 엘리먼트의 본체를 관통한 반사되지 않은 입사광(20)이 반사 코팅(19)에 대하여 반사될 수 있고 테스트 엘리먼트를 통해 다시 산란될 수 있다. 결국, 이러한 내부 반사 광자들(20)의 일부에는 다른 기회가 제공되며, 즉, 테스트 엘리먼트의 표면에서 막 코팅(18)과 반응하고 에버네센트파를 형성하는 두 번째 기회가 주어진다. 이에 따라, 본 발명은 ATR 및 APR 모두로부터의 컴포넌트를 포함하기 때문에, 값비싼 광학 장치나 결합 요구 사항을 필요로 하지 않고서 입사광 빔(21)의 효율성을 개선할 수 있으며, 이에 따라 널리 알려져 있는 ATR 시스템보다 이점을 제공할 수 있게 된다.

도 3을 다시 참조하면, 에버네센트파(20E)가 테스트 엘리먼트의 표면을 따라 진행하기 때문에, 이러한 에너베센트 광자들 중 일부는 반응성 막(18)에 함유된 분자들과 반응할 수 있다. 이러한 상호작용으로 인해 에버네센트 광자들 중 일부가 반응성 막의 분자 구조에 의해 흡수된다. 이에 따라, 반응성 막(18)에 의해 흡수되는 것을 충분히 피할 수 있으며 그렇지 않은 경우 환경으로 인해 손실되지 않는 광자들(22)을 결국 광검출기(8)에 의해 검출될 수 있는 테스트 엘리먼트로부터 투과할 수 있다. 결국 테스트 엘리먼트로부터 투과되는 광자들(22)의 수는 입사광 빔(21)의 흡광 레벨에 의존하기 때문에, 광검출기에 의해 생성되는 전기 신호를 활용하여 반응성 막의 흡광 퍼센트를 가리킬 수 있다. 일단 최종 광 응답의 상대적 강도를 알려져 있는 참조 데이터와 비교하게 되면, 샘플 물질의 분석 대상물 농도를 검출하고 결정할 수 있다.

상술한 바와 같이, 전원 스위치(9)가 활성화되고 광 빔(20)이 테스트 엘리먼트상으로 투영될 때, 광검출기는 테스트 엘리먼트로부터 이중 광 응답(22)을 수신하게 된다. 이러한 응답 곡선이 도 5에 도시되어 있다. 여기서, 라인(100)은 테스트 엘리먼트가 샘플 분석 대상물에 노출되기 전에 막 코팅의 광 응답을 나타내고, 라인(200)은 테스트 엘리먼트가 샘플 분석 대상물에 노출된 후 막 코팅의 이중 광 응답을 나타낸다. A₀는 파장(λ₂)에서의 막 코팅만의 흡광 레벨을 나타낸다. A₁에서의 제1 피크는 노출 전 파장(λ₁)에서의 내부 참조 다이의 흡광 레벨을 나타내고, A₂는 노출 후 내부 참조의 흡광 레벨을 나타낸다. 노출 동안 테스트 엘리먼트의 광학적 및 기계적 특성들이 변경되지 않았다면 A₁ 및 A₂ 값은 동일하다. A₃에서의 피크는, 테스트 엘리먼트가 샘플 분석 대상물에 노출된 후 파장(λ₂)에서의 막 코팅의 흡광 레벨을 나타낸다. 샘플 물질이 샘플에 존재하는 물질의 농도에 비례하여 광을 흡수한다고 알려져 있다면, 흡광 레벨들(A₃ 및 A₀) 간의 차이가 샘플 물질의 분석 대상물 농도에 비례한다는 것을 알 수 있다. λ₁에 집중된 내부 참조의 흡광 레벨(A₁, A₂)을 고려함으로써, 일반적인 공식에 따라 시약 막 코팅의 흡광 레벨을 교정할 수 있다.

여기서, A_corrected는 시약 막 코팅의 정규화된 흡광 레벨을 나타낸다. 곡선하 에서의 피크 대 피크비 또는 영역 비교와 같이 다른 많은 절차를 이용하여 응답 곡선을 정규화하여도 된다는 것을 이해할 수 있다.

흡광도를 계산하기 위해, 시약 막을 코팅하기 전에 테스트 엘리먼트의 λ₁ 및 λ₂에서의 블랭크 신호 출력을 알아야 한다. 폴리머 막 없이 테스트 엘리먼트를 로딩할 때 광다이오드 신호를 측정함으로써 신호 센서 응답을 얻을 수 있다. 블랭크 응답을 프로세서에 저장할 수 있다. 다음의 설명에서 최종 결과(A_corrected)가 블랭크 응답과 무관하다는 것이 명확해질 것이다. 블랭크 응답을 알게 됨으로써 노출 전 테스트 엘리먼트의 흡광 레벨이 광다이오드에 의해 측정되는 볼트나 암페어가 아닌 흡광 유닛으로서 표현될 수 있다.

바람직한 동작 모드에서, 폴리머 코팅된 테스트 엘리먼트(2)를 고정 수단(44)에 의해 어댑터(4)에 탈착 가능하게 장착한다. 상술한 바와 같이, 고정 수단(44)은 광원 및 광검출기에 대하여 적절히 재생가능한 위치에 테스트 엘리먼트를 정렬 및 위치시킨다. 광원 및 광검출기에 대한 테스트 엘리먼트 및 입사광 각도의 엄격한 제어는 필요하지 않다. 가변 라이팅(lighting) 상태들을 보상하기 위해, 샘플 테스트 사이트에서 오퍼레이터가 광원을 활성화하여 코팅된 테스트 엘리먼트로부터의 대응하는 반사 강도를 한번 기록한다. 이 단계 동안 측정되는 광 응답 스펙트럼을 베이스라인 강도라 칭한다.

베이스라인 강도 응답을 확립한 후, 오퍼레이터는, 막 코팅의 확산성에 의존하여, 소정의 주기 동안, 예를 들어, 1 내지 3분 동안, 코팅된 테스트 엘리먼트를 화학적 또는 생물학적 샘플 물질에 노출한다. 다음으로, 오퍼레이터는 샘플로부터 테스트 엘리먼트를 제거하고, 과도한 액체 샘플을 테스트 엘리먼트로부터 흘러내리게 또는 흘려 제거시킨다. 이 단계를 0 내지 5분 동안 행할 수 있다. 이 주기 후에, 오퍼레이터는 광원을 다시 활성화하여 대응하는 샘플 노출된 테스트 엘리먼트로부터의 반사 강도를 기록한다. 이 단계 동안 측정된 광 응답을 샘플 강도라 칭한다.

상술한 분석을 계속하여, 블랭크, 베이스라인, 샘플 및 내부 참조 응답 강도를 나타내는 누적 데이터를 처리하고 검사중인 특정 분석 대상물의 예상 스펙트럼 응답에 대응하는 알려져 있는 화학 참조 데이터와 조합한다. 아래의 예 1 내지 5에서 더 상세히 도시하고 설명하듯이, 테스트 엘리먼트를 분석 대상물에 노출한 후 광 응답의 강도를 테스트 엘리먼트를 분석 대상물에 노출하기 전의 광 응답의 강도와 비교함으로써, 샘플 물질의 분석 대상물 농도를 측정할 수 있다.

상술한 시스템은 종래의 광학 장치로 수행되는 광도계 측정을 나타낸다. 본 발명에 의해 활용되는 다중각 산란 유도 흡광 측정 기술의 결과로, 막에 대한 종래의 투과 측정 기술보다 높은 감도로 그 막에 대하여 정밀하고도 재생가능한 흡광 측정을 얻을 수 있다. 이것은 종래의 투과 흡광 측정 기술이 원 패스(one pass)로서 특징지어질 수 있기 때문이다. 즉, 종래의 투과 기술에서 입사 광자들이 검사중인 물질을 통해 한번 통과하여, 그 광자들이 최소한의 굴절 및 산란으로 기판을 통해 전달될 때 테스트 엘리먼트와 반응하는 단일 기회를 가질 수 있다. 반면에, 도 3에 도시되어 있듯이, 본 발명은 다중각 산란 방식을 활용하고 이에 따라 입사 광자들(21)이 테스트 엘리먼트 내에서 산란하며 반사 코팅(19)에 대하여 반사하게 되며, 이에 따라 입사 광자들중 일부가 테스트 엘리먼트를 통해 다중 패스를 얻게 된다. 이 다중각 산란 방식은 에베네센트 광자들(20E)이 결국 기판 표면상의 막 코팅과 반응하는 가능성을 증가한다. 이처럼, 입사 광자가 자신의 초기 패스시 기판 표면에서 소실된다면, 그 동일 광자가 테스트 엘리먼트 내에서 산란하여 결국 기판 표면 측으로 다시 반사될 가능성이 높으며, 이에 따라 이러한 광자에 기판 표면에서 소실하여 결국 막 코팅에 의해 흡수될 다른 기회가 주어진다. 이에 따라, 종래의 투과 기술과 비교할 때 소정량의 광 에너지가 더 큰 비율의 흡수 이벤트를 얻을 수 있고, 이에 따라 입사광의 상대 흡광 퍼센트를 증가하고 감지 장치의 최종 감도를 개선한다.

동일한 주요 컴포넌트들의 많은 구성으로 상술한 실시예와 동일한 성능을 얻을 수 있다는 점에 주목하길 바란다. 예를 들어, 본 발명의 다른 실시예가 도 2에 도시되어 있다. 여기서, 분리 영역(3) 및 감지 영역(5)을 포함하는 다중 구획적 광학 테스트 엘리먼트(2A)가 도시되어 있다. 분리 영역은 여러 감지 영역들에서 반사될 수 있는 산란 광을 흡수함으로써 감지 영역들 간의 장벽으로서 기능하고, 이에 따라 감지 영역들 간의 상호작용 잡음을 줄이게 된다. 각 감지 영역은 자신의 고유한 내부 화학적 성질을 포함하는 독립적인 반응 막 코팅을 활용한다. 이러한 반응 막 코팅 각각 및 이에 따르는 화학적 성질들은 샘플 용액에서 관심을 갖는 특정 분석 대상물로부터 독립적인 이중 광 (스펙트럼) 응답을 제공하는데 효과적이다. 이에 따라, 단일 테스트 엘리먼트 상에서 복수의 분석 대상물을 동시에 테스 트할 수 있다. 게다가, 분리 영역들(3)이 분리 개선을 위해 관통될 수 있다는 것을 발견하였으며, 이에 따라 테스트 엘리먼트의 효율성을 증가한다.

다중 구획적 테스트 엘리먼트의 동작이 용이하도록, 독립 감지 영역들의 각각에 대하여 독립 광원 및 광검출기 쌍을 제공할 수 있다는 점을 고려하고, 이에 따라 각 광원 및 검출기 쌍은 여러 감지 영역들의 각각으로부터 적절한 이중 광 응답을 생성할 수 있다. 다른 방법으로, 단일 광원 및 광검출기는 독립적 감지 영역들의 각각으로부터 적절한 이중 광 (스펙트럼) 응답을 생성 및 검출하도록 구성될 수 있다. 이 경우, 여러 감지 영역들의 각각에 의해 생성되는 독립적 전기 신호는 처리 유닛(10)에 의해 당해 기술에 알려져 있는 방식으로 조합 및 멀티플렉싱되어 복수의 분석 대상물을 단일 일회성 테스트 엘리먼트로 검출 및 정량화할 수 있다.

도 4는 다중 구획적 테스트 엘리먼트를 용이하게 하는 장치를 나타낸다. 이 장치는 도 1에 도시한 시스템과 동일한 기본적인 컴포넌트들을 구비하고 있다. 도 4의 예시적인 실시예는 어댑터(4A)의 양측 상에 장착될 수 있는 광원(6)과 광검출기(8)의 여러 쌍들을 포함한다. 다중 구획적 테스트 엘리먼트(2A)는 고정 수단(44) 상으로 장착된다. 여기서, 고정 수단(44)은 미니어처 모션 슬라이드(66)의 이동 캐리지에 부착된다. 모션 슬라이드는 테스트 엘리먼트를 어댑터 내부로 회수할 수 있으며 흡광 측정을 위해 테스트 엘리먼트를 광원/광검출기 쌍과 정렬하도록 기능한다. 광검출기에 의해 생성되는 전기적 출력 신호를 처리하고 전자적으로 저장할 수 있도록 장치를 제어하는 적절한 전자 수단(77)을 제공한다.

또한, 본 발명은 온도(예를 들어, 서미스터를 이용), 상대 습도(예를 들어, 용량성 습도 센서를 이용), 및 대기압(예를 들어, MEMS 압력 센서를 이용)과 같은 주변 대기 상태에 대한 정보를 제공하는데 사용될 수 있으며 당해 기술에 널리 알려져 있는 추가 센서들의 활용을 고려한다.

다른 실시예에서, 화학 센서 시스템은 센서 어레이의 기능성 및 정량 기능을 개선하도록 동적 패턴 인식 시스템을 고려한다. 센서 어레이의 기능성은 센서의 필요한 환경 노출의 종료를 가리키는 수단을 구비함으로써 개선된다. 예를 들어, 센서가 회수될 준비가 되어 있으며 정량 정보를 제공할 준비가 되어 있음을 알람(예를 들어, 비프음)이 가리킬 때까지 센서를 물 샘플 내에 담근다. 이러한 시스템의 동작 원리는 센서 응답의 동적 신호 분석의 사용에 기초하고 있다. 특히, 본 발명에서의 센서는, 농도 레벨을 정량화하기 위해 샘플이 센서와 반응할 때 비가역 센서 화학적 성질들의 응답의 변경 비율을 추적함으로써 특정 주기 동안 동적 데이터를 수집할 수 있다. 따라서, 본 발명의 센서는, 회수 후 신호가 측정될 때 단지 샘플에 노출되고 추후에 회수되는 센서와 비교하여 더 많은 정보를 갖는다. 이렇게 수집된 동적 데이터를, 노출 동안 신호의 초기 경사, 중간 경사, 및 최종 경사와 같이 알려져 있는 파라미터용으로 분석할 수 있다. 이러한 동적 파라미터들을 이용하여 스테디 스테이트 응답에 도달하는 때를 가리킬 수 있다. 스테디 스테이트가 적절한 주기에 도달되지 못하면, 동적 파라미터들을 이용하여 분석 대상물 농도를 정량화할 수 있다. 또한, 화학적 센서 응답의 경사는 균형 엔드 포인트보다 민감할 수 있고, 여기서 설명하는 센서 시스템용으로 감도가 증가하게 된다.

또 다른 실시예에서, 센서는 센서가 샘플로부터 회수된 후 분석 완료 시간을 가리키는 또 다른 알람을 구비한다. 이것은 상이한 센서 영역들로부터의 상이한 신호 복구율들에 의해 제공되며, 이것은 센서 화학적 성질, 가역성, 및 주변 대기 상태에 의존한다. 당업자라면 알 수 있듯이, 많은 적절한 전자, 집적 회로 및/또는 마이크로프로세서 수단을 구성하여 상술한 센서 및 타이머 알람 피처를 제공하여 상술한 실시예에서의 동적 센서 응답 데이터의 수집을 얻을 수 있다. 도 15에 도시한 일 실시예에서, 비주얼 베이직® 컴퓨터 프로그램을 개발하여 타이머 및 알람 피처를 제공하고 센서 시스템을 제어 및 판독한다.

가역 화학 센서들이 흔히 불량 응답 선택성을 겪는다는 점은 널리 알려져 있으며, 이것은 주로 특정하지 않은 신호 변경으로부터의 간섭이나 잡음으로 인한 것이다. 이에 따라, 비가역 일회성 센서들로 화학적 인식의 선택성을 개선할 수 있다. 비가역 센서 화학적 성질은 흔히 관심 대상인 화학적 종류와 반응물 간에 더 강력하고도 더 선택적인 상호작용을 제공하고, 이것은 일반적으로 비가역 센서 화학적 성질에 의해 생성되는 이점들 중의 하나로 볼 수 있다. 그러나, 센서의 동적 범위를 개선하거나 화학적 간섭을 줄이는 것이 이점을 갖는다면, 상이한 시약들을 함유하는 여러 개의 센서 영역들, 또는 전체 시스템 응답을 조합식으로 향상하는 상보 센서 엘리먼트들을 이용하여 단일 분석 대상물을 분석하는 것이 바람직할 수 있다. 가역 시약과 관련되어 알려져 있는 단점에도 불구하고, 다중 시약 검출 기술에 가역 시약을 포함하여 전체 센서 응답을 개선할 수 있다. 이러한 가역 및 비가역 플랫폼의 조합은 향상된 기능을 갖는 시스템을 생성할 수 있다. 표준 pH 지시기는 가역 센서들에서 공통으로 사용되는 화학물의 일 예인 한편 다음의 예에서 설명하는 염소 시약은 비가역 화학적 성질의 일 예이다. 가역 pH 센서를 비가역 염소 센서와 조합함으로써 샘플에 존재하는 다른 염소 함유 종류를 더 규정할 수 있지만, 이러한 예로 한정되지 않는다.

다음의 예들을 참조할 때, 테스트 엘리먼트 및 광학 컴포넌트의 결합 및 위치 설정 요구사항의 적합하거나 적절한 제어가, 이러한 결합 및 위치 설정 요구사항의 엄격하거나 임계 제어와는 반대로, 다음의 식에 따라 내부 참조 흡광 표준이 사용된다면 정밀하고도 재생가능 흡광 결과를 얻는데 효과적이라는 것을 발견하게 되었다.

그러나, 단일 내부 흡광 표준을 활용하여도 입사 빔에 대한 테스트 엘리먼트의 정렬 및 막 또는 기판 품질에서의 변동에 의해 야기되는 에러들 모두를 제거하지 못한다는 것을 인식하게 된다. 이것은 각 에러 소스가 상이한 파장들에서 흡수 대역에 상이한 영향을 갖기 때문이다. 예를 들어, 입사각 변경에 의해 야기되는 흡광 변경은, 광학 경로 길이가 파장에 의존하기 때문에 화학적 성질이 아닌 파장의 기능이다. 따라서, 본 발명에서 하나 초과의 내부 표준을 갖는 참조 시스템을 이용함으로써 또는 전체 스펙트럼을 측정하는 경우 단일 표준 흡수 대역의 스펙트럼 프로파일을 이용함으로써 정밀도가 증가한다고 인식된다. 그러나, 다음의 예들로 예시하는 바와 같이 일회성 테스트 스트립 및 어댑터 간의 적합하거나 적절한 기계적 제어 결합과 조합하여 단일 내부 흡수 대역을 활용함으로써 상당히 높은 레벨의 재생 가능 측정값을 얻었다는 점에 주목하길 바란다.

예 1

도 14에 도시한 바와 같이 Fisher brand의 4개 에지, 깨끗한 유리 슬라이드(치수: 3" x 1" x 0.41", Fisher 카탈로그 번호 12-549)를 백색 페인트 펜(Uni®Paint PX-20)으로 페인팅하였다. 일 단부 근처의 영역도 백색 페인트 펜으로 페인팅하였다. LED 및 광셀의 배열을 도 14에 도시한다. 광원은 RadioShack®사의 5mm, 3000mcd 적색 LED이며, 피크 방출 파장이 660nm이며 관측각은 12°이다. 영구적이며 미세 포인트 Sharpie® 마커로 형성된 청색 라인들의 상이한 농도들의 흡광 레벨들이 도 6에 도시되어 있다. 여기서, 초기 시구간(0 ~ 22초) 동안, 광을 블랭크(즉, 청색 마킹이 없음) 유리 슬라이드 상으로 투사하였다. 예상되는 바와 같이, 라인(50)에서의 대응 흡광 레벨은 거의 제로이다. 약 22초 후에, 유리 슬라이드 상에 단일 청색 라인이 형성되었고, 대응 흡광 레벨이 도시한 바와 같이 라인(51)으로 증가하였다. 약 34초 후, 제2 청색 라인이 제1 청색 라인의 위에 형성되어 유리 슬라이드 상의 청색 마킹의 농도를 증가하였다. 예상되는 바와 같이, 대응 흡광 레벨이 라인(52)으로 증가하였다. 유사하게, 약 45초 후에, 제3의 청색 라인을 추가하여 유리 슬라이드상의 청색 마킹의 농도를 더 증가하였다. 다시 예상되는 바와 같이, 대응 흡광 레벨이 라인(53)으로 증가하였다. 이러한 측정 흡광이 아래와 같이 정의된다는 것은 널리 알려져 있다.

여기서, 어두울 때의 출력은 광원이 꺼진 상태일 때 검출기의 스테디 스테이 트 응답이다.

이 예는 광도계 측정을 매우 간단한 방식으로 실행할 수 있음을 예시한다. 그러나, 이러한 간단한 설정으로 많은 설계를 구축할 수 있다. 예를 들어, 간섭 필터 막을 광검출기를 향하는 영역에 코팅하거나 반사 페인트 내에 혼합하여 소정의 흡수 대역에 대한 흡광을 측정할 수 있다. 도 2는 이러한 설계들의 일 예를 나타낸다.

예 2

이 예에서는, 3.7" x 0.49" x 0.21"의 폴리카르보네이트 반사 엘리먼트를 제조하였다. 폴리카르보네이트 엘리먼트의 단부를 약 51°의 각도로 비스듬히 잘랐다. 이 예에서 사용되는 흡광 측정을 위한 테스트 엘리먼트 구성이 도 7에 도시되어 있다. 여기서, Ocean Optics P400-2 6개의 광섬유 번들을 사용하여 Ocean Optics 텅스텐-할로겐 램프로부터 입사광을 제공하였다. R400-7 Ocean Optics 반사 프로브를 사용하여 Ocean Optics USB2000 분광계에 대하여 반사된 광을 수집하였다. 테트라메틸벤지딘(TMB)을 함유하는 폴리(2-히드록실에틸 메타아크릴레이트)(PHEMA) 막을 폴리카르보네이트 엘리먼트의 일 측 상에 딥-코팅하고, 모든 파장에 대하여 제로 흡광을 갖는 블랭크 스펙트럼을 확립하였다. TMA 막을 코팅한 후, 폴리카르보네이트 엘리먼트를 도 7에 도시한 바와 같은 구성에 다시 배치하였다. 여기서, 베이스라인 스펙트럼을 먼저 기록하였다. 다음으로, 0.06ml 0.1ppm 소듐 하이퍼플로라이트(hyperchlorite) 용액을 조심스럽게 펼쳐 TMB막에 대하여 3mm x 12mm 영역을 망라하였다. TMB막 상에 1분 동안 유지된 후, 종이 타월로 NaOCl 용 액을 조심스럽게 제거하였다. NaOCl 용액을 TMB 막 상에 스파팅(spot)한 후 샘플 스펙트럼을 4분간 측정하였다. 샘플 스펙트럼(110) 및 베이스라인 스펙트럼(120) 모두가 도 8에 도시되어 있다.

예 3

이 예에서도 예 2와 동일한 Ocean Optics 분광계 시스템을 이용하였다. 현미경 슬라이드 홀더는 유리 슬라이드의 위치 설정을 엄격하게 제어하였다. 입사 광섬유 프로브를 유리 슬라이드면에 대하여 약 45°의 각도로 유리 슬라이드의 일 측으로 향하게 하였다. 입사광의 약 절반이 유리 슬라이드 바로 아래의 백색 종이를 조명하였으며 나머지 절반이 유리 슬라이드의 에지를 조명하였다. 검출 프로브도 약 45°의 각도로 취해졌으며 광량이 분광계를 포화하지 않도록 프로브로부터의 슬라이드로의 거리를 조절하였다.

소량의 적색 안료를 함유하는 PHEMA 막을 영구적인 적색 Sharpie® 마커로부터 복구하였다. 예 1에서와 같이 자기 교반기로부터 수정된 스피너를 이용하여 적색 안료 용액을 유리 슬라이드 상에 스핀 코팅하였으며, 이것은 속도 제어나 판독을 갖지 않는다. 스피너 가속, 최종 스핀 속도, 및 스피닝 지속 시간은 제어되지 않았다. 적색 안료를 내부 흡광 표준으로서 이용한다. 이것은 λ_max = 535nm에 집중된 흡수 대역을 가지며, 염소(청색 반응물, λ_max = 670nm)에 대한 TMB 반응 응답의 흡수 대역과 겹치지 않는다.

슬라이드들을 NaOCl 용액 내에 담그기 전에, TMB용 베이스라인 스펙트럼을 측정하였다. NaOCl 용액 내에 90초 담근 후에, 유리 슬라이드를 제거하고 2분 동안 수직 위치로 유지하여 유리 슬라이드 표면상의 용액을 흘러내리게 하였다. 여기서, 유리 슬라이드를 NaOCl 용액으로부터 제거한 후 샘플 스펙트럼을 150초 동안 기록하였다.

상술한 절차에 따라 11개의 슬라이드 모두를 이용하여 NaOCl 용액의 3개의 상이한 농도 레벨에서의 흡광 값을 측정하였다. 슬라이드(1 내지 4)는 0.10ppm 용액내로 독립적으로 담그고, 슬라이드(5 내지 7)는 0.25ppm 용액 내에 독립적으로 담그고, 슬라이드(8 내지 11)는 0.50ppm 용액 내에 독립적으로 담궜다. 참조 정정 전과 후의 λ = 650nm에서의 흡광 값들을 아래의 표 1에 열거하고 있다. 식 1에 따라 참조 정정을 수행한 후 각 농도 레벨에 대한 표준 편차가 상당히 감소해 있다는 점에 주목하길 바란다.

슬라이드(8 - 11)로부터의 4개의 스펙트럼 및 이들의 대응 베이스라인 스펙트럼이 도 9에 도시되어 있다.

식 1에 따른 참조 정정 후의 모든 11개의 스펙트럼이 도 10에 도시되어 있다. 도 10은, 식 1에 의해 설명된 바와 같이 내부 흡광도 표준에 따라 결과를 정규화함으로써 에러를 줄이고 표 1에 열거된 결과를 확인하는 것을 도시한다.

도 11은 당해 기술에 알려져 있듯이 흡광 레벨과 농도 레벨 간의 선형 관계를 확인하는 교정 곡선을 나타낸다.

이 예의 결과로부터 여러 가지 결론을 얻을 수 있다.

1. 적절한 위치 제어만으로는 저 흡광 측정용으로 필요한 정밀도를 보장할 수 없다.

2. 내부 흡광 표준을 이용하여 식 1에 따라 스펙트럼을 정정함으로써 유리 슬라이드 치수, 막 품질, 및 입사 빔 각도와 같이 실험 파라미터에서의 변동에 의해 야기되는 에러를 줄이게 된다.

3. 다중각 산란 유도 흡광도가 투과 흡광도보다 민감하다. λ=535nm (0.014)에서의 투과 흡광도 값과 비교할 때, 본 발명의 다중각 산란 유도 구성에 의해 흡광도가 10배 증가한다. 더 긴 파장에서 흡광도가 더 증가할 수 있다는 점에 주목하길 바란다.

예 4

이 예에서 사용되는 막은 예 3에서 사용한 막과 비교할 때 내부 참조 다이의 약간 낮은 농도를 함유하였다. 이 막들은 예 3에서 이용한 동일 절차로 준비되었지만, 상이한 배치(batch)에서 제조되었다. 유사하게, 실험 설정은, Sharpie® 마커로 그려진 2개의 수직 라인들에 대하여 슬라이드를 정렬함으로써 슬라이드 위치가 엄격하지 않게 제어되었다는 점을 제외하고 예 3 용으로 이용한 설정과 동일하다.

베이스라인 스펙트럼 응답과 함께 참조 정정 전과 후의 스펙트럼 응답이 도 12 및 도 13에 각각 도시되어 있다. 유리 슬라이드 위치의 적절한 제어를 유지하지 않고서 도출된 측정값에 따르면, 내부 흡광 표준으로부터의 참조 정정에도 불구하고 더 많은 에러 마진이 발생한다는 것이 명확하다. 그럼에도 불구하고, 650nm에서의 흡광값들인 0.177, 0.185, 0.209는, 슬라이드 위치가 엄격히 제어되지 않았으며 막들이 상이한 배치에 그리고 상이한 폴리머 용액으로부터 준비되었지만, 예 5로부터 얻은 0.1790 ± 0.003의 평균값들과 잘 맞는다는 점에 주목하길 바란다.

이러한 일치는 명백하며, 특히, 본 발명의 하나의 목적에서 볼 때 특히 그러하다. 즉, 추가 교정 단계 없이 일회성 테스트 엘리먼트에 의해 분석 대상물 농도의 정량 결정을 제공할 수 있다.

예 5

센서 구축

도 15는 예 5 용으로 사용되는 예시적인 핸드헬드 센서 시스템을 개략적으로 도시한다. 여기서, 기본적인 감지 유닛(150)은 디지털 버스 스위치(152; Texas Instruments, SN74CBTLV) 및 컴퓨터(151; Dataq CF2, C-큐브드(cubed) 제한 데이터 획득 카드가 갖춰진 Dell Axiom Pocket PC )에 접속된 것으로 도시되어 있다. 디지털 버스 스위치(152)를 사용하여 컴퓨터가 LED(6)를 켜고 끌 수 있는 한편 DC 전력을 광다이오드(8)에 제공하며, 광다이오드로부터의 출력을 판독할 수 있다. 비주얼 베이직®, 즉, 컴퓨터 프로그램을 개발하여 센서 시스템을 제어 및 판독한다.

예 5 용으로 사용되는 예시적인 감지 유닛(150)의 투시도가 도 16에 도시되어 있다. 여기서, 감지 유닛(150)은 3개의 서브 어셈블리(파트 A, 파트 B, 파트 C)의 조합을 포함하는 것으로서 설명될 수 있다.

파트(A)는 엘리먼트(160, 161, 162)를 포함한다. 파트(B)는 엘리먼트(6, 8, 163, 164)를 포함한다. 파트(C)는 엘리먼트(18, 19, 167)를 포함한다.

파트(A)를 구축하는데 있어서, 1/2인치 인스턴트 튜브 대 튜브 어댑터(161)의 스레드(threaded)부를 제거하고 1/4인치 압축 피팅 너트(162)를 수정된 어댑터(161)의 페이스 상으로 접착한다. 4인치 길이의 1/2 OD 스테인레스 스틸 튜 브(160)를 수정된 어댑터의 고무 O-링/압축 피팅(161C) 상으로 삽입하여 광 조밀 구획부를 제공하게 된다.

파트(B)를 구축하는데 있어서, 1/4 인치 튜브 대 파이프 압축 피팅(163)의 메일(male)부를 제거하고, 한 측 상에 검정색으로 페인팅된 얇은 폴리카르보네이트 시트(164)를 수정된 피팅에 에폭시 접착제로 고정하여 수정된 피팅의 개구가 도 16에 도시되어 있듯이 분리되어 있다. 5mm 바이칼라(bicolor) LED(6)(LC LEDN500TGR4D)를 폴리카르보네이트 시트 상에 접착하였다. LED(6)의 초점 경로는 피팅(163)의 수직 중심과 대략 평행하다. 광다이오드(8; ToasTSR257)를 폴리카르보네이트 시트의 다른 측에 부착하여 광다이오드의 컬렉션 렌즈가 도 16에 도시한 바와 같이 약 45°의 각도로 피팅 축으로부터 오프셋된다. 상술한 구축 후에, LED 및 광다이오드를 1인치 직경의 PVC 튜브 내(도 16에 도시하지 않음)에 밀봉한다.

파트(C)를 구축하는데 있어서, 아크릴 로드(직경 0.25인치 및 길이 3.20인치)를 예 3에서 사용된 것과 같은 클로린 민감 시약(18)을 함유하는 PHEMA막으로 코팅하였다. 로드의 엔드 섹션은 반사성 백색 페인트(19)로 페인팅되었다.

측정 절차

예 5에서 사용된 측정 절차는 아래의 단계들을 포함한다.

1. (a) 아크릴 로드(167)(파트 C)를 압출 피팅 어셈블리(파트 A 및 B)내로 로딩하고 스테인레스 스틸 튜브(160)를 인스턴트 튜브 대 파이프 어댑터(161)내에 배치한다. (b) 포켓 PC 스크린 상의 버튼을 클릭한다. (c) 비주얼 베이직 & commat : 컴퓨터 프로그램이 녹색광(525nm) 및 적색광(630nm)을 순차적으로 켜고, 각 판독(Go 및 Ro)을 광다이오드로부터 취하는 동안 녹색광 및 적색광이 켜진다.

2. (a) 스테인레스 스틸 튜브(160)를 어댑터(161)로부터 제거하고 로드(167)를 샘플 용액 내에 60초 동안 담근다. (b) 로드를 용액으로부터 꺼내고 남아 있는 용액을 적절히 닦아 제거한다. (c) 로드를 대기중에 2분 동안 건조시킨다.

3. (a) 스테인레스 스틸 튜브(160)를 다시 어댑터(161) 상으로 배치한다. (b) 포켓 PC 스크린상의 적절한 버튼을 클릭하여 광다이오드로부터의 각 출력(G, R)을 판독한다. 녹색광 및 적색광 모두가 순차적으로 켜진다는 것에 주목하길 바란다.

4. 식 2로 흡광도 계산

식 2는 식 1과 수학적으로 등가임에 주목하길 바란다. 이러한 측정값들로부터의 결과가 표 2에 열거되어 있으며 도 17에서 교정 곡선으로 작성되어 있다.

상술한 명세서는 특허 조례에 의해 요구되는 바와 같이 본 발명을 실행하는 최상의 모드를 포함하는 것으로 제시되었지만, 본 발명은 이러한 최상의 모드나 명세서에서의 다른 특정 실시예로 한정되지 않는다. 본 발명의 사상은 청구범위에 적용되는 엄밀하고도 균등한 구성에 의해서만 규제된다.

Claims (14)

1. 화학적 또는 생물학적 물질의 분석 대상물 농도(analyte concentration)를 측정하는 시스템에 있어서,

   a. 장착 어댑터와,

   b. 상기 어댑터에 탈착 가능하게 장착되는 테스트 엘리먼트와,

   c. 상기 테스트 엘리먼트 상에 고정되며, 적어도 하나의 내부 참조 표준(internal reference standard)을 포함하는 시약막(a reagent film)과,

   d. 상기 어댑터에 부착되며, 광의 일부가 표면용 임계각보다 큰 반사각으로 상기 표면에 충돌하는 상태로 발산 광 빔을 방출할 수 있는 적어도 하나의 광원 -상기 광 빔은 상기 테스트 엘리먼트와 상기 시약막으로부터의 이중 광 응답을 자극하는데 효율적임- 과,

   e. 상기 어댑터에 부착되며, 상기 이중 광 응답을 검출할 수 있으며, 상기 이중 광 응답을 가리키는 전자 신호 응답을 생성할 수 있는 적어도 하나의 광검출기와,

   f. 상기 전자 신호 응답을 처리하고, 저장하며, 전송하고, 상기 광원을 제어하는 전자 회로 수단

   을 포함하는 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,

   집적 클록 수단을 더 포함하며, 이에 따라 특정 주기 동안 상기 이중 광 응답으로부터 동적 데이터를 수집할 수 있는

   시스템.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 주기를 가리키는 집적 알람 수단을 더 포함하는

   시스템.
4. 제 2 항에 있어서,

   상기 테스트 엘리먼트는 복수의 분리 영역 및 감지 영역을 포함하는 다중 구획적 테스트 엘리먼트인

   시스템.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 다중 구획적 테스트 엘리먼트는 관통된 다중 구획적 테스트 엘리먼트인

   시스템.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 다중 구획적 테스트 엘리먼트는 상기 감지 영역을 2개 내지 500개 구비하는

   시스템.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 감지 영역은 비가역적인

   시스템.
8. 제 6 항에 있어서,

   상기 감지 영역은 일부 가역적이며 일부 비가역적인

   시스템.
9. 화학적 또는 생물학적 물질의 분석 대상물 농도를 측정하는 방법에 있어서,

   a. 시약막에 적어도 하나의 내부 참조 표준을 제공하는 단계와,

   b. 상기 시약막의 층을 테스트 엘리먼트상에 고정하여, 막 코팅된 테스트 엘리먼트를 제공하는 단계와,

   c. 광 에너지를 코팅된 테스트 엘리먼트 상으로 방출하는 단계 -상기 광 에너지는 상기 테스트 엘리먼트 내에서 내부 반사 및 다중각 산란을 겪고, 상기 코팅된 테스트 엘리먼트로부터의 이중 참조 광 응답을 자극하는데 효율적임- 와,

   d. 상기 코팅된 테스트 엘리먼트를 샘플 물질에 특정 주기 동안 노출하고, 노출된 테스트 엘리먼트를 상기 물질로부터 제거하여, 샘플 테스트 엘리먼트를 제공하는 단계와,

   e. 상기 샘플 테스트 엘리먼트 상으로 광 에너지를 방출하는 단계 -상기 광 에너지는 상기 샘플 테스트 엘리먼트로부터의 이중 샘플 광 응답을 자극하는데 효율적임- 와,

   f. 상기 참조 및 샘플 광 응답 데이터를 수집 및 처리하여 흡광 응답을 계산하는 단계와,

   g. 상기 흡광 응답을 활용하여 상기 물질에서의 분석 대상물 농도를 검출 및 정량화하는 단계

   를 포함하는 방법.
10. 제 9 항에 있어서,

    특정 주기 동안 상기 흡광 응답으로부터 동적 데이터를 수집하는 단계를 더 포함하는

    방법.
11. 제 10 항에 있어서,

    상기 동적 데이터를 분석하여 상기 주기 동안 상기 흡광 응답의 초기 기울기, 중간 기울기 및 최종 기울기를 결정하는 단계를 더 포함하는

    방법.
12. 제 9 항에 있어서,

    상기 흡광 응답은 상기 흡광 응답을 정규화함으로써 정정되는 에러인

    방법.
13. 제 12 항에 있어서,

    상기 정규화는 A_corrected = A_sample - A_baseline + (A_baseline__at_λ_reference - A_baseline__at_λ_sample) 공식에 따라 실행되는

    방법.
14. 제 9 항에 있어서,

    상기 코팅된 테스트 엘리먼트는 복수의 상기 흡광 응답을 제공할 수 있는 다중 구획적 테스트 엘리먼트이며,

    상기 복수의 흡광 응답은 상기 물질에서의 복수의 분석 대상물 농도를 검출 및 정량화하기 위해 처리되고 멀티플렉싱되는

    방법.

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