KR20100072612A - 측정 시작 시점 결정 장치가 구비된 측정 장치 - Google Patents

측정 시작 시점 결정 장치가 구비된 측정 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유체 상태인 측정 샘플이 측정 가능한 위치에 온 것을 감지할 수 있는 광바이오센서 측정장치 구성에 관한 것이다
본 발명에 따른 광바이오센서 측정 장치는 샘플이 투여될 수 있는 바이오센서; 상기 바이오센서의 반응을 검출하기 위하여 가변 파장의 광원을 조사하는 파장가변광원; 상기 바이오센서의 상기 반응 초기 시간을 검출하기 위하여 파장이 고정된 광원을 조사하는 추가광원; 상기 파장가변광원 및 상기 추가광원의 광원을 합치는 커플러; 상기 커플러를 통하여 합쳐진 광원을 평행광으로 만드는 렌즈; 및 상기 렌즈를 통한 평행광을 샘플이 투여된 바이오센서에 조사하여 상기 바이오센서의 반응을 검출하는 광출력 측정기를 포함한다. 따라서, 본 발명의 구성에 따르면, 광바이오센서 리더기에서 측정 시작 시점을 정확히 감지하지 못하여 발생하는 오차를 줄일 수 있다. 따라서 일반적인 광바이오센서 리더기에 비해 정확한 측정값을 얻을 수 있다.

Description

측정 시작 시점 결정 장치가 구비된 측정 장치{ESTIMATING DEVICE EQUIPPED WITH DEVICE DECIDIDING ESTIMATION START POINT}
본 발명은 바이오센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 측정 시작 시점 결정 장치를 구비하는 바이오센서 측정 장치에 관한 것이다.
본 발명은 지식경제부 및 정보통신연구진흥원의 IT성장동력기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호 : 2006-S-007-03, 과제명 : 유비쿼터스 건강관리용 모듈 시스템].
광바이오센서 측정 장치는 특정 항체가 고정되어 있는 바이오센서를 이용하여 특정 항원을 검출하는 장치이다. 특정 항원이 고정되어 있는 바이오센서에 항원이 들어있는 혈장이나 다른 액체 상태인 샘플을 투입하면 바이오센서에 고정되어 있는 항체와 액체 상태인 샘플에 들어 있는 항원이 결합하면서 광바이오센서의 광특성이 변한다. 광바이오센서 측정 장치는 바이오센서에 특정 항원, 항체반응이 일어 나기 전에 바이오센서의 투과율, 반사율을 측정한 뒤 바이오센서에 항원, 항체반응이 일어난 뒤의 바이오센서의 투과율, 반사율을 비교하여 특정 항원의 존재 여부, 항원의 농도를 측정한다.
본 발명에서는 샘플과 샘플을 측정하는 센서가 접촉하는 순간을 측정하기 위한 센서 칩과 센서 측정 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 실시예에 따른 측정 장치는 샘플이 투여될 수 있는(configured to) 센서; 상기 센서의 반응을 검출하기 위하여 파장이 가변 되는 광원을 조사하는 파장가변광원; 상기 바이오센서의 상기 반응 초기 시간을 검출하기 위하여 파장이 고정된 광원을 조사하는 추가광원; 상기 파장가변광원 및 상기 추가광원의 광원을 합치는 커플러; 상기 합쳐진 광원을 평행광으로 만드는 렌즈; 및 상기 평행광을 상기 바이오센서에 투사 또는 반사하여 상기 센서의 반응을 검출하는 광출력 측정기를 포함한다.
실시 예로서, 상기 추가광원은 시간에 대하여 광원출력이 변한다.
실시 예로서, 상기 파장가변광원은 시간에 대하여 광원출력이 일정하다.
실시 예로서, 상기 파장가변광원의 상기 파장 출력을 제어하는 파장광원 조절기를 더 포함한다.
실시 예로서, 상기 추가광원의 출력을 사인파 또는 구형파로 변조하는 광원조절기를 더 포함한다.
실시 예로서, 상기 광출력 측정기의 상기 검출 결과 중 상기 추가광원에 의한 성분을 분리하는 신호 처리 유닛을 더 포함한다.
실시 예로서, 상기 센서는 상기 반응을 검출하기 위한 특정한 항체를 포함한다.
실시 예로서, 상기 센처칩은 한 개 혹은 다수의 센서를 포함한다.
실시 예로서, 상기 샘플은 상기 항체와 반응하는 항원을 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 측정 장치는 입력된 광원을 평행광으로 출력하는 렌즈; 샘플이 투여될 수 있고, 상기 평행광이 투사 또는 반사되는 센서; 상기 투사 또는 반사된 평행광을 두 갈래로 출력하는 빔스플리터; 상기 빔스플리터로부터 하나의 갈래를 입력받아 상기 센서의 반응을 검출하는 분광기; 및 상기 빔스플리터로부터 또 다른 하나의 갈래를 입력받아 상기 반응 초기 시간을 검출하는 광출력 측정기를 포함한다.
실시 예로서, 상기 광출력 측정기는, 상기 빔스플리터의 출력 중 상기 반응에 따른 파장대를 출력하는 광학 필터를 포함한다.
실시 예로서, 상기 광학 필터는 밴드 패스 필터를 포함한다.
본 발명의 구성에 따르면, 센서 측정장치에서 유체상태인 샘플이 센서와 접촉하는 측정 시작 시점을 정확히 감지하지 못하여 발생하는 오차를 감소시키므로 정확한 측정값을 얻을 수 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조 하여 설명한다.
도 1은 유체 상태인 샘플과 샘플을 측정하는 센서의 접촉, 전후의 센서의 광특성 변화를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 샘플(104)은 특정 항원이 들어 있는 혈장, 피와 같은 액체를 포함한다. 샘플은 유체 상태(즉, 액체 또는 기체 상태)이다. 바이오센서(103)는 샘플(104)의 특정항원에 대한 항체가 고정되어 있다.
바이오센서(103)는 샘플(104)에 포함된 검출 대상인 항원과 항원, 항체반응을 일으킨다. 바이오센서(103)는 바이오센서 칩의 상판(101) 또는 하판(102)에 고정될 수 있다. 바이오센서 칩 하판(102)은 바이오센서칩 상판(101)으로 덮여 있다. 또한, 바이오센서칩은 반사광을 측정할 경우 상판(101)을 포함하지 않을 수도 있다.
바이오센서칩은 샘플(104)이 바이오센서(103)쪽으로 흐를 수 있도록 채널이 형성된다. 바이오센서 칩 상판(101)은 바이오센서칩의 디자인에 따라 생략 가능하다. 샘플(104)은 바이오센서(103)와 반응하는 항원을 포함한다. 바이오센서 칩 하판(102)은 입사광이 투과할 수 있도록 투명하다. 바이오센서(103)는 접촉되는 물질(예를 들면, 항원)의 굴절률에 따라 반사율 스펙트럼 혹은 투과율 스텍트럼에 피크(peak) 혹은 딥(dip)이 생기는 구조를 포함할 수 있다.
도 1의 (a)는 샘플(104)과 항체(103)가 접촉하기 전의 반사율 스펙트럼을 나타낸다. 샘플(104)이 바이오센서(103)에 닿기 전에 바이오센서 칩 상판(101)과 하판(102)은 공기 혹은 다른 유체로 채워져 있다. 이 유체의 굴절률에서는 반사율 스 펙트럼에 피크가 존재하지 않는다.
도 1의 (b)에 도시된 바와 같이 샘플(104)이 바이오센서(103)에 닿은 경우 바이오센서칩 상판(101)과 하판(102)사이를 채우는 물질의 굴절률이 변한다. 이 물질의 굴절률이 특정 범위의 값을 가질 경우 바이오센서칩의 반사율 스펙트럼에 피크가 형성된다.
도 1의 (c)에 도시된 바와 같이 샘플(104)이 계속 바이오센서(103) 위를 흐를 경우 항원, 항체 반응이 계속 일어나면서 항원, 항체가 결합한 막이 센서에 쌓이게 된다. 항원, 항체가 결합한 막이 쌓이면서 바이오센서의 구조가 바뀌고 바이오 센서 구조 변화에 의해 바이오센서의 반사율 피크가 변화한다.
바이오센서칩에 따라 항원, 항체 반응이 일어날수록 피크 파장이 긴 쪽으로 움직일 수도 있고, 짧은 쪽으로 움직일 수도 있다. 또한, 본 발명은 항원, 항체 반응에 제한되지 않는다. 즉, 샘플에 의하여 반응할 수 있는 어떤 물질을 포함하는 측정 장치는 모두 본 발명에 적용될 수 있을 것이다.
도 2는 시간이 흐름에 따른 반사율(또는 투과율) 스펙트럼에 피크(peak) 혹은 딥(dip)의 파장 변화를 나타내는 도면이다.
도 2을 참조하면, 시간 T0 에 샘플이 바이오센서에 접촉하면서 파장 λ0 에서 반사율(또는 투과율) 스펙트럼에 피크 혹은 딥이 생성된다. 시간이 흐름에 따라 파장변이가 포화되면서 파장이 더 이상 변하지 않을 때를 기준으로 파장 변화값을 측정한다. 파장 변화 값이 샘플 항원의 농도에 의해 결정되므로 파장 변화값(Δλ)을 측정하여 샘플 항원의 농도를 측정할 수 있다.
도 3은 샘플이 항체에 닿을 경우 투과율 스펙트럼에 피크가 형성되는 것을 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 특정 항체(403)는 바이오센서 칩의 하판(402)에 고정되어 있다. 바이오센서 칩 하판(402)은 바이오센서칩 상판(401)으로 덮여 있다. 바이오센서칩은 샘플(404)이 항체로 쪽으로 흐를 수 있도록 채널이 형성되어 있다. 샘플(404)은 특정 항체가 고정되어 있는 바이오센서(403)와 반응하는 항원을 포함한다. 바이오센서 칩 상판(401) 및 하판(402)은 입사광이 투과할 수 있도록 투명하다.
도 1 및 도 2에서 도시한 바와 같이 샘플이 항체에 닿을 경우 반사율 스펙트럼에 피크가 형성되는 경우에 대하여 설명하였으나 바이오센서칩의 종류에 따라 도 3의 (a) 내지 (c)에 도시된 바와 같이 샘플이 항체에 닿을 경우 투과율 스펙트럼에 피크가 형성될 수도 있다. 이 경우에는 투과율 피크 파장의 변화를 측정하여 특정항원의 농도를 측정할 수 있다.
도 4는 항체에 샘플이 닿았을 때 투과율 스펙트럼 혹은 반사율 스펙트럼에 딥이 생기는 경우를 보여주는 도면이다. 도 4를 참조하면, 이 경우에는 딥 파장의 변화를 측정하여 특정 항원의 농도를 측정할 수 있다.
도 5는 투과율을 측정하는 광바이오센서 측정 장치의 일 실시 예를 보여주는 도면이다.
도 5를 참조하면, 광바이오센서 측정 장치는 선폭이 넓은 광원(502)에서 나 온 광을 렌즈(503)을 이용하여 평행광으로 만든다. 이 평행광을 광바이오센서(504)으로 통과시켜 나온 광을 분광기(505)을 이용하여 측정한다. 광원의 출력은 광원조절기(501)을 사용하여 조절한다. 분광기(505)에는 CCD 카메라와 같은 다채널 측정장치나 PD(Photo Diode), PMT(Photo multiplier tube)와 같은 단채널 측정장치가 장착되어 있다. 분광기에 단채널 측정장치가 달려 있는 경우 한번에 한 파장밖에 측정할 수 없으며 스펙트럼을 측정하기 위해서는 계속 파장을 바꾸어 가며 측정하여야 한다.
도 6은 단채널 측정장치를 사용할 경우 시간의 경과에 따라 분광기로 측정할 수 있는 파장을 나타내는 그래프이다. 도 6에 도시된 바와 같이 파장 측정 범위 λ1, λ2 사이를 계속 반복하며 반사율, 투과율 스펙트럼을 측정한다.
도 7은 파장가변광원과 광출력 검출기를 이용하여 투과율을 측정하는 광특성 측정 장치의 일 실시 예를 보여주는 도면이다.
도 7를 참조하면, 광특성 측정 장치는 파장가변 조정장치(701)을 이용하여 파장가변 광원(702)의 광출력, 출력 파장을 조절한다. 광특성 측정 장치는 렌즈(703)을 이용하여 파장가변 광원(702)에서 방출되는 광을 평행광으로 만들고 샘플(704)를 통과한 광을 광출력 측정기(705)로 측정한다. 광특성 측정 장치는 한번에 한 파장의 반사율밖에 측정할 수 없으므로 파장가변 광원(702)의 파장을 바꾸어 가며 스펙트럼을 측정한다. 도 7의 실시 예에 따른 시간대 측정파장 그래프는 도6에 도시된 시간대 측정파장그래프와 동일하다.
도 8은 반사율을 측정하는 광바이오센서 광특성 측정 장치의 일 실시 예를 보여주는 도면이다.
도 8를 참조하면, 광특성 측정 장치는 선폭이 넓은 광원(802)에서 나온 광을 렌즈(803)을 이용하여 평행광으로 만든다. 광특성 측정 장치는 빔스플리터(Beam splitter ; 804)에서 반사되어 다시 바이오센서(805)에서 반사된 광을 분광기(806)을 이용하여 측정한다. 광원의 출력은 광원조절기(801)을 사용하여 조절한다. 분광기(806)에는 CCD 카메라와 같은 다채널 측정장치나 PD, PMT(Photo multiplier tube)와 같은 단채널 측정장치가 달릴 수 있다.
도 9은 반사율을 측정하는 파장 가변광원과 광출력 검출기를 이용한 광특성 측정 장치의 일 실시 예를 보여주는 도면이다.
도 9를 참조하면, 광특성 측정 장치는 파장가변 광원(902)의 파장 출력을 파장가변 광원 조절기(901)를 이용하여 제어한다. 광특성 측정 장치는 파장가변 광원에서 나온 광을 렌즈(903)을 이용하여 평행광으로 만들고 빔스플리터(904)를 이용하여 샘플과 반응하는 바이오센서(905)로 반사시킨다. 바이오센서(905)에서 반사된 광을 광출력 측정기(906)을 이용하여 반사율을 측정한다. 파장가변 광원(902)의 파장을 바꾸어 가며 반사율 스펙트럼을 측정하여 반사율 피크 파장 혹은 반사율 딥의 파장을 측정한다.
즉, 도 8에 도시된 광특성 측정 장치는 백색광원을 바이오센서에 반사시켜 분광기로 검출하고, 도 9에 도시된 광특성 측정 장치는 파장 가변광원을 바이오센서에 반사시켜 광출력 측정기로 검출한 것이다.
도 10은 실제 사용되는 바이오센서칩이 일 실시 예를 보여주는 도면이다. 도 10에 도시된 바와 같이 바이오센서칩은 바이오센서칩(1001)에 샘플투입구(1002)가 형성되어 있는 구조이다.
도 11은 도 10에 도시된 바이오센서칩의 내부 구조도이다.
도 11에 도시된 바와 같이 바이오센서칩(1101)은 샘플투입구(1102)에 샘플이 흘러갈 수 있는 채널(1103)이 형성되어 있다. 바이오센서칩(1101)에는 한 개 혹은 여러 개의 센서(1104)가 형성되어 있다. 이 센서에는 특정항원에 대한 항체가 고정되어 있다. 이러한 바이오센서칩(1101)에 샘플을 투입한 후 측정장치에 장착하거나 바이오센서칩을 측정장치에 장착한 후 샘플을 투입한다.
도 11에 나타낸 바와 같이 샘플투입구에 투입한 샘플이 항체에 접촉하는 데까지 시간이 소요되며 샘플과 항체가 접촉하는 순간의 반사율(또는 투과율) 스펙트럼을 측정하여야 정확한 측정결과를 얻을 수 있다. 따라서, 도 2에 도시된 바와 같이 정확한 Δλ 을 측정하기 위해서 샘플이 항체에 닿은 순간이 피크 파장 혹은 딥의 파장을 측정하여야 한다.
도 11에 도시된 바이오센서칩은 도 5 및 도 8의 실시 예에서와 같이 선폭이 넓은 광원과 다채널 측정장치를 이용할 경우 스펙트럼변화는 실시간으로 측정될 수 있다. 이 실시예의 경우에는 샘플이 항체에 닿는 순간이 피크 혹은 딥이 형성되는 것을 측정하여 샘플이 항체에 닿는 순간(T0)를 측정할 수 있다. 도 11에 도시된 바이오센서칩은 도 5 및 도 8의 실시 예에서 PD, PMT와 같은 단채널 측정장치를 사용 하거나 도 7 및 도 9와 같이 파장가변광원과 광출력 측정기를 이용하는 경우에는 한번에 한파장의 투과율 혹은 반사율 밖에 측정할 수 없다. 또한 분광기의 측정 파장을 바꾸는 속도와 파장가변 광원의 출력 파장을 바꾸는 속도에는 한계가 있으므로 샘플이 항체에 닿는 순간(T0)을 측정할 수 없는 문제가 발생될 수 있다.
도 12은 시간에 따른 측정 파장과 실제 투과율(또는 반사율)의 피크 파장(또는 딥 파장)의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 12를 참조하면, 바이오센서 리더기는 λ1 에서 λ2 사이의 투과율(또는 반사율)을 측정한다. 바이오센서의 샘플에 의한 항원 항체의 면역 반응에 따른 측정 파장은 시간이 경과함에 따라 증가되다가 포화된다. 포화된 측정 파장은 λf 이고, 포화되기 시작할 때의 측정 파장은 λi 이다.
T0에서 샘플이 항체에 닿고 이 순간에 다른 파장의 투과율(또는 반사율)을 측정하고 있을 경우 반사율(또는 투과율)의 피크 파장(또는 딥 파장)은 다음 주기의 T1에서 측정된다. 이 경우 피크 파장(또는 딥 파장)의 초기 값을 λ0 가 아닌 λI 로 측정하는 오차가 발생한다. 이 경우 측정 최종 결과가 Δλ = λf - λ0 가 아닌 Δλ = λf - λI 로 측정하는 측정오차가 발생한다.
본 발명의 실시예에 따른 광바이오센서 측정장치는 샘플 존재 여부에 따라 투과율, 반사유과 같은 광특성이 변하는 광바이오센서 칩과, 이러한 광바이오센서 칩을 이용하여 샘플 존재여부를 검출하는 기능을 구비한 광바이오센서 리더기를 포 함한다.
샘플과 항체가 접촉하는 순간을 측정하는 실시 예에는 도 5 및 도 8의 실시 예에서와 같이 선폭이 넓은 광원, 분광기, 다채널 측정 장치를 이용하는 방법이 있다. 다채널 측정장치를 이용하여 투과율(또는 반사율) 스펙트럼을 실시간으로 측정할 수 있다.
도 12에 도시된 바와 같이 측정 파장과 실제 투과율(또는 반사율)의 피크 파장(또는 딥 파장)의 관계는 도 1 내지 도 3에서와 같이 샘플과 항체가 접촉하는 순간의 전후에 투과율(또는 반사율) 스펙트럼을 구분될 수 있으므로 실시간으로 스펙트럼에 피크 혹은 딥이 형성되는 지를 판별하여 λ0 는 측정될 수 있다.
도 13a는 분광기와 단채널 측정기를 사용하여 투과율 측정하는 측정장치에서 T0를 감지하는 측정장치의 블록도이다.
도 13a을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 측정장치는 선폭이 넓은 광원(1302)에서 나온 광을 렌즈(1303)을 이용하여 평행광으로 만든다. 본 측정장치는 바이오센서(1304)을 통과한 광을 빔스플리터(1305)를 이용하여 두 갈래도 나누어 한 갈래는 분광기(1306), 다른 한 갈래는 광학필터(1307)을 거쳐 광출력 측정기(1308)로 전달한다. 분광기(1306)에는 단채널 광출력 측정기가 장착되어 있다. 광원 조절기(1301)을 이용하여 광원(1302)의 출력을 조정한다. 측정장치의 제어는 제어기(1309)를 이용한다.
도 13a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 측정장치는 샘플과 항 체 접촉 전후 투과율이 다른 경우 포토 다이오드(PD:Photo Diode)와 같은 광출력 검출기를 이용하여 T0를 측정한다. 센서에서 반사된 빛이 두 갈래로 나누어 한 갈래는 분광기(1306)로, 다른 한 갈래는 광출력 측정기(1308)로 전달된다. 광학필터(1307)을 사용하는 이유는 샘플, 센서와 접촉 전후의 광출력 측정기(1308)로 측정하는 광출력 측정값 차이를 크게 하기 위해서이다.
도 13b 내지 도 13e는 도 13a에 도시된 측정장치의 변화를 도시한 그래프이다.
도 13a 및 도 13b를 참조하면, 샘플과 센서가 접촉된 후 투과율 스펙트럼에 피크가 생길 경우 측정장치는 밴드패스 필터를 사용하여 샘플, 센서와 접촉 순간을 측정한다. 광필터(1307)가 도 13b에 표시된 대역의 빛만 통과시킬 경우 샘플, 센서 접촉 전후 광출력 측정기(1308)로 측정하는 광출력 값이 차이가 많이 나므로 샘플,센서 접촉 순간을 감지해 낼 수 있다.
도 13a 및 도 13c를 참조하면, 샘플과 센서가 접촉된 후 투과율 스펙트럼에 피크가 생길 경우 측정장치는 밴드리젝션(band rejection) 필터를 사용하여 샘플,센서와 접촉 순간을 측정한다. 광필터(1307)가 도13c에 표시된 대역의 빛만 통과시키지 않을 경우 샘플, 센서 접촉 전후 광출력 측정기(1308)로 측정하는 광출력 값이 차이가 많이 나므로 샘플, 센서 접촉 순간을 감지해 낼 수 있다.
도 13a 및 도 13d를 참조하면, 샘플과 센서가 접촉된 후 투과율 스펙트럼에 딥이 생길 경우 측정장치는 밴드패스 필터를 사용하여 샘플,센서와 접촉 순간을 측 정한다. 광필터(1307)가 도13d에 표시된 대역의 빛만 통과시킬 경우 샘플,센서 접촉 전후 광출력 측정기(1308)로 측정하는 광출력 값이 차이가 많이 나므로 샘플, 센서 접촉 순간을 감지해 낼 수 있다.
도 13a 및 도 13e를 참조하면, 샘플과 센서가 접촉된 후 투과율 스펙트럼에 딥이 생길 경우 측정장치는 밴드리젝션(band rejection) 필터를 사용하여 샘플,센서와 접촉 순간을 측정한다. 광필터(1307)가 도13e에 표시된 대역의 빛만 통과시키지 않을 경우 샘플,센서 접촉 전후 광출력 측정기(1308)로 측정하는 광출력 값이 차이가 많이 나므로 샘플,센서 접촉 순간을 감지해 낼 수 있다
도 13a 내지 도 13e에서 사용하는 광학필터의 종류는 샘플, 센서 접촉 전후의 광출력 측정값 차이만 크게 될 수 있으면 제한되지 않는다. 또한, 광학필터가 없어도 샘플, 센서 접촉 전후의 광출력 측정값을 충분히 구별할 수 있다면 광학필터를 생략할 수 있을 것이다.
도 13a에서 도 13e의 실시예와 같이 샘플, 센서 접촉 순간을 감지한 이후 분광기를 이용하여 센서의 투과율 변화를 측정한다.
도 14a는 분광기와 단채널 측정기를 사용하여 반사율 측정하는 측정장치에서 T0를 감지하는 측정장치의 구성도이다.
도 14a를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 측정장치는 선폭이 넓은 광원(1402)에서 나온 광을 렌즈(1403)을 이용하여 평행광으로 만든다. 1차 빔스플리터(1404)에서 반사되어 바이오센서(1405)에서 반사된 광을 2차 빔스플리터(1406)를 이용하여 두 갈래도 나눈다. 두 갈래 빛 중 한 갈래는 분광기(1409), 다른 한 갈래는 광학필터(1407)을 거쳐 광출력 측정기(1408)로 전달한다. 분광기(1409)에는 단채널 광출력 측정기가 장착되어 있다. 광원 조절기(1401)을 이용하여 광원(1402)을 출력을 조정한다. 측정장치의 전체적인 제어는 제어기(1410)를 이용하여 수행한다. 샘플과 항체 접촉 전후 반사광 출력이 다른 경우 포토 다이오드(PD)와 같은 광출력 검출기를 이용하여 T0를 측정한다. 센서에서 반사된 빛이 두 갈래로 나누어 한 갈래는 분광기(1409)로, 다른 한 갈래는 광출력 측정기(1408)로 전달된다.
도 14a에 도시된 측정장치가 도 13a의 실시 예와 마찬 가지로 광학필터(1407)을 사용하는 이유는 샘플, 센서와 접촉 전후의 광출력 측정기(1408)로 측정하는 광출력 측정값 차이를 크게 하기 위해서이다.
도 14b 내지 도 14e는 도 14a에 도시된 측정장치의 변화를 도시한 그래프이다.
도 14a 및 도 14b를 참조하면, 샘플과 센서가 접촉된 후 반사율 스펙트럼에 피크가 생길 경우 측정장치는 밴드패스 필터를 사용하여 샘플, 센서와 접촉 순간을 측정한다. 광필터(1407)가 도14b에 표시된 대역의 빛만 통과시킬 경우 샘플, 센서 접촉 전후 광출력 측정기(1408)로 측정하는 광출력 값이 차이가 많이 나므로 샘플, 센서 접촉 순간을 감지해 낼 수 있다.
도 14a 및 도 14c를 참조하면, 샘플과 센서가 접촉된 후 반사율 스펙트럼에 피크가 생길 경우 측정장치는 밴드리젝션(band rejection) 필터를 사용하여 샘플, 센서와 접촉 순간을 측정한다. 광필터(1407)가 도14c에 표시된 대역의 빛만 통과시키지 않을 경우 샘플,센서 접촉 전후 광출력 측정기(1408)로 측정하는 광출력 값이 차이가 많이 나므로 샘플,센서 접촉 순간을 감지해 낼 수 있다.
도 14a 및 도 14d를 참조하면, 샘플과 센서가 접촉된 후 반사율 스펙트럼에 딥이 생길 경우 측정장치는 밴드패스 필터를 사용하여 샘플,센서와 접촉 순간을 측정한다. 광필터(1407)가 도14d에 표시된 대역의 빛만 통과시킬 경우 샘플,센서 접촉 전후 광출력 측정기(1408)로 측정하는 광출력 값이 차이가 많이 나므로 샘플,센서 접촉 순간을 감지해 낼 수 있다.
도 14a 및 도 14e를 참조하면, 샘플과 센서가 접촉된 후 투과율 스펙트럼에 딥이 생길 경우 측정장치는 밴드리젝션(band rejection) 필터를 사용하여 샘플, 센서와 접촉 순간을 측정한다. 광필터(1407)가 도14e에 표시된 대역의 빛만 통과시키지 않을 경우 샘플,센서 접촉 전후 광출력 측정기(1408)로 측정하는 광출력 값이 차이가 많이 나므로 샘플,센서 접촉 순간을 감지해 낼 수 있다
사용하는 광학필터의 종류는 샘플, 센서 접촉 전후의 광출력 측정값 차이만 크게 할 수 있으면 제한되지 않는다. 광학필터가 없어도 샘플, 센서 접촉 전후의 광출력 측정값을 충분히 구별할 수 있으면 광학필터를 생략할 수 있을 것이다.
도 14a에서 도 14e의 실시예와 같이 샘플, 센서 접촉 순간을 감지한 이후 분광기를 이용하여 센서의 반사율 변화를 측정한다.
도 15a는 파장가변광원과 광출력 측정기를 이용하는 투과율을 측정하는 광바 이오센서 리더기에서 추가 광원을 설치하여 T0를 측정하는 실시 예를 보여주는 도면이다.
도 15a를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 측정장치는 파장광원 조절기(1501)을 이용하여 파장가변광원(1502)의 파장 출력을 조정한다. 추가광원(1504)은 파장가변 광원이 아닌 파장이 고정된 광원이다. 추가광원조절기(1503)을 이용하여 추가광원(1504)의 출력을 조절한다. 파장가변광원(1502)에서 방출된 빛과 추가광원(1504)에서 방출된 광을 커플러(1505)를 이용하여 하나로 합친 뒤 렌즈(1506)을 이용하여 평행광으로 만든다. 바이오센서(1507)을 투과한 광을 광출력 측정기(1508)을 이용하여 측정한다. 신호 처리 유닛(1509)을 이용하여 측정된 신호를 처리한다. 측정장치의 전체적인 제어는 제어기(1510)를 이용하여 수행한다.
도 15b는 도 15a에 있어서 파장가변광원을 끈 상태에서 추가광원만으로 T0 시점을 측정한 뒤 추가광원을 끄고 파장가변광원을 이용하여 투과율 스펙트럼의 변화를 측정하는 본 발명의 일 실시 예를 도시한 도면이다.
도 15a 및 도 15b를 참조하면, 광출력 측정기(1508)는 바이오센서(1507)의 반응을 신호의 변화(즉, T0 시점)를 측정한다. 신호 처리 유닛(1509)는 광출력 측정기(1508)의 측정된 신호를 처리하여 제어기(1510)에 전송한다. 제어기(1510)는 T1에서 추가광원조절기(1503)을 제어하여 추가광원(1504)의 출력을 오프한다.
제어기(1510)는 T2 에서 파장광원 조절기(1501)을 제어하여 파장가변광 원(1502)을 활성화한다. 파장광원 조절기(1501)는 출력파장을 λ1, λ2 사이를 반복하며 점진적으로 증가되도록 제어한다. 광출력 측정기(1508)는 바이오센서(1507)를 투과한 광으로부터 투과율 스펙트럼의 변화를 측정한다.
T0에서 T2사이의 시간간격은 파장가변과원 조절기(1501), 파장가변광원(1502), 추가광원조절기(1503), 추가광원(1504), 광출력측정기(1508), 신호처리 유닛(1509), 제어기(1510)에 의해 결정되며 수십 ms 이하일 것이다.
도 15c는 파장가변광원이 출력을 일정하게 유지하고 추가광원의 출력을 구형파 혹은 사인파등으로 변조하여 시점을 측정하는 본 발명의 일 실시 예를 도시한 도면이다.
도 15c를 참조하면, 신호 처리 유닛(1509)은 하나의 광출력 측정기(1508)로부터 전송된 파장가변광원(1502)에 의한 신호와 추가광원(1504)에 의한 신호를 분리할 수 있다. 추가광원(1504)로부터 조사된 광원은 시간에 대하여 광원출력이 변하고, 파장가변광원(1502)로부터 조사된 광원은 시간에 대하여 광원출력이 일정하다. 추가광원(1504)은 정확한 샘플 초기 반응 시점을 찾기 위하여 추가된 것이다. 신호처리 유닛(1509)은 분리된 추가광원(1504)에 의한 신호 크기의 변화를 측정하여 T0 시점(즉, 샘플 초기 반응 시점)을 확인한다. 신호 처리 유닛(1509)은 광출력 측정기(1508)의 측정된 신호를 처리하여 제어기(1510)에 전송한다. 제어기(1510)는 T1에서 추가광원조절기(1503)을 제어하여 추가광원(1504)의 출력을 오프한다. 이후 T2 시점에서 파장가변광원(1502)은 파장광원 조절기(1501)의 제어에 응답하여 도 12에 도시된 λf (즉, 항원 항체의 면역반응에 따른 측정 파장이 포화되는 경우)를 구할 때까지 도 12에 도시된 바와 같이 λ1, λ2 사이를 반복하여 출력될 것이다. T0에서 T2사이의 시간간격은 파장가변과원 조절기(1501), 파장가변광원(1502), 추가광원조절기(1503), 추가광원(1504), 광출력측정기(1508), 신호처리 유닛(1509), 제어기(1510)에 의해 결정되며 수십 ms 이하일 것이다.
T0 광원의 출력 파장은 그 파장에서 샘플과 센서접촉 전후 반사율(또는 투과율) 차이가 크면 어느 파장이든지 적용될 수 있을 것이다. T0 광원의 파장영역은 도 6에 도시된 바와 같이 파장측정범위 λ1, λ2 사이일 수도 있고 그 밖에 놓일 수도 있다.
도 16는 파장가변광원과 광출력 측정기를 이용하는 반사율을 측정하는 광바이오센서 리더기에서 추가 광원을 설치하여 T0를 측정하는 실시 예를 도시한 도면이다.
도 15a에서는 바이오센서의 투과율 스펙트럼이 이용되고, 도 16에서는 바이오센서의 반사율 스펙트럼이 이용된다. 그러므로, 도 15b 및 도 15c에 도시된 그래프는 도 16에도 적용될 것이다.
도 16를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 측정장치는 파장광원 조절기(1601)을 이용하여 파장가변광원(1602)의 광출력, 출력 파장을 조정한다. 추가광 원(1604)는 파장가변 광원이 아닌 파장이 고정된 광원이다. 추가광원조절기(1603)을 이용하여 추가광원(1604)의 출력을 조절한다.
파장가변광원(1602)에서 방출된 빛과 추가광원(1604)에서 방출된 광을 커플러(1605)를 이용하여 하나로 합친 뒤 렌즈(1606)을 이용하여 평행광으로 만든다. 빔스플리터(1607)에서 반사되고 다시 바이오센서(1608)에서 반사된 빛을 광출력 측정기(1508)을 이용하여 측정한다. 신호 처리 유닛(1610)을 이용하여 측정된 신호를 처리한다. 측정장치의 전체적인 제어는 제어기(1611)를 이용하여 수행한다.
도 17a은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광바이오센서 측정 장치를 도시한 블록도이다. 도 17에는 도15에 도시된 실시예에 추가광원을 변조하지 않고 파장가변광원과 추가광원의 출력 파장이 다른 점을 이용하여 바이오센서를 투과한 광을 광학필터를 이용하여 분리하는 방법이 도시된다.
도 17a를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 측정장치는 제어기(1712)의 제어에 응답하여 파장광원 조절기(1701)을 이용하여 파장가변광원(1702)의 광출력, 출력 파장을 조절한다. 광원조절기(1703)는 제어기(1712)의 제어에 응답하여 추가광원(1704)을 구동하도록 제어한다. 추가광원(1704)는 파장가변 광이 아닌 파장이 고정된 광이다.
커플러(1705)는 파장가변광원(1702)에서 방출된 광과 추가광원(1704)에서 방출된 광을 하나로 합친다. 렌즈(1706)는 커플러(1705)로부터 출력된 광을 평행광으로 만든다.
측정장치는 파장에 따라 투과율, 반사율이 다른 광학 부품(1708)을 이용하여 파장가변광원(1702)에서 나온 빛과 추가 광원에(1704)에서 나온 광을 분리하여 각각 파장가변광원 광출력 측정기(1709)와 추가광원광출력 측정기(1710)으로 보낸다.
광학 부품(1708)은 파장에 따라 투과율, 반사율이 다르다. 광학 부품(1708)은 파장가변광원(1702)에서 나온 광과 추가 광원에(1704)에서 나온 광을 분리하여 각각 파장가변광원 광출력 측정기(1709)와 추가광원 광출력 측정기(1710)에 보낸다.
신호 처리 유닛(1711)은 제어기(1712)의 제어에 응답하여 추가광원광출력 측정기(1710)에서 측정한 광출력 값이 일정 값 이상 변하는 순간(즉, T0)을 감지한다. 감지된 순간은 샘플과 센서가 접촉하는 순간이다.
도 17b는 도 17a에 있어서 파장가변광원을 끈 상태에서 추가광원만으로 T0 시점을 측정한 뒤 추가광원을 끄고 파장가변광원을 이용하여 투과율 스펙트럼의 변화를 측정하는 본 발명의 일 실시 예를 도시한 도면이다.
도 17a 및 도 17b를 참조하면, 추가광원광출력 측정기(1710)는 바이오센서(1707)의 반응을 신호의 변화(즉, T0 시점)를 측정한다. 신호 처리 유닛(1711)는 추가광원광출력 측정기(1710)의 측정된 신호를 처리하여 제어기(1712)에 전송한다. 제어기(1712)는 T1에서 추가광원조절기(1703)을 제어하여 추가광원(1704)의 출력을 오프한다.
제어기(1712)는 T2 에서 파장광원 조절기(1701)을 제어하여 파장가변광 원(1702)을 활성화한다. 파장광원 조절기(1701)는 출력파장을 λ1, λ2 사이를 반복하며 점진적으로 증가되도록 제어한다. 광출력 측정기(1709)는 바이오센서(1707)를 투과한 광으로부터 투과율 스펙트럼의 변화를 측정한다. 이후 T2 시점에서 파장가변광원(1702)은 파장광원 조절기(1701)의 제어에 응답하여 도 12에 도시된 λf (즉, 항원 항체의 면역반응에 따른 측정 파장이 포화되는 경우)를 구할 때까지 도 12에 도시된 바와 같이 λ1, λ2 사이를 반복하여 출력될 것이다. 광출력 측정기(1709)는 파장가변 광원(1702)만으로 바이오센서(1707)를 측정할 것이다.
도 18은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광바이오센서 측정 장치를 도시한 블록도이다.
도 17a에서는 바이오센서의 투과율 스펙트럼이 이용되고, 도 18에서는 바이오센서의 반사율 스펙트럼이 이용된다. 그러므로, 도 17b에 도시된 그래프는 도 18에도 적용될 것이다.
도 18은 도16이 실시예에 추가광원을 변조하지 않고 파장가변광원과 추가광원의 출력 파장이 다른 점을 이용하여 바이오센서를 투과한 광을 광학필터를 이용하여 분리하는 방법이 도시된다.
도 18를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 측정장치는 제어기(1813)의 제어에 응답하여 파장광원 조절기(1801)을 이용하여 파장가변광원(1802)의 광출력, 출력 파장을 조절한다. 광원조절기(1803)는 제어기(1813)의 제어에 응답하여 추가광원(1804)을 구동하도록 제어한다. 추가광원(1804)는 파장가변 광이 아닌 파장이 고정된 광이다.
커플러(1805)는 파장가변광원(1802)에서 방출된 광과 추가광원(1804)에서 방출된 광을 하나로 합친다. 커플러(1805)로부터 출력된 광은 렌즈(1806)를 통하여 평행광이 되어 빔스플리터(1807)에 투사한다.
빔스플리터(1807)에서 반사되어 바이오센서(1808)에서 반사된 광은 광학 부품(1809)에 투사된다. 광학 부품(1809)은 파장에 따라 투과율, 반사율이 다르다. 광학 부품(1809)은 파장가변광원(1802)에서 나온 광과 추가 광원에(1804)에서 나온 광을 분리하여 각각 파장가변광원 광출력 측정기(1810)와 추가광원 광출력 측정기(1811)에 보낸다.
계속해서 도 18를 참조하면, 추가광원광출력 측정기(1811)는 바이오센서(1808)의 반응을 신호의 변화(즉, T0 시점)를 측정한다. 신호 처리 유닛(1812)는 추가광원광출력 측정기(1811)의 측정된 신호를 처리하여 제어기(1813)에 전송한다. 제어기(1813)는 T1에서 추가광원조절기(1803)을 제어하여 추가광원(1804)의 출력을 오프한다.
제어기(1813)는 T2 에서 파장광원 조절기(1801)을 제어하여 파장가변광원(1802)을 활성화한다. 파장광원 조절기(1801)는 출력파장을 λ1, λ2 사이를 반복하며 점진적으로 증가되도록 제어한다. 광출력 측정기(1810)는 바이오센서(1808)를 투과한 광으로부터 투과율 스펙트럼의 변화를 측정한다. 이후 T2 시점에서 파장가변 광원(1802)은 파장광원 조절기(1801)의 제어에 응답하여 도 12에 도시된 λf (즉, 항원 항체의 면역반응에 따른 측정 파장이 포화되는 경우)를 구할 때까지 도 12에 도시된 바와 같이 λ1, λ2 사이를 반복하여 출력될 것이다. 광출력 측정기(1810)는 파장가변 광원(1802)만으로 바이오센서(1808)를 측정할 것이다.
본 발명의 구성에 따르면, 광바이오센서 리더기에서 측정 시작 시점을 정확히 감지하지 못하여 발생하는 오차를 줄일 수 있다. 따라서 일반적인 광바이오센서 리더기에 비해 정확한 측정값을 얻을 수 있다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
도 1은 바이오센서칩과 항원, 항체 반응에 의한 광바이오센서의 광특성 변화를 나타내는 도면이다.
도 2는 시간이 흐름에 따른 반사율(또는 투과율) 스펙트럼에 피크(peak) 혹은 딥(dip)의 변화를 나타내는 도면이다.
도 3은 샘플이 항체에 닿을 경우 투과율 스펙트럼에 피크가 형성되는 것을 나타내는 도면이다.
도 4는 항체에 샘플이 닿았을 때 투과율 스펙트럼 혹은 반사율 스펙트럼에 딥이 생기는 경우를 보여주는 도면이다.
도 5는 투과율을 측정하는 광바이오센서 측정 장치의 일 실시 예를 보여주는 도면이다.
도 6은 시간의 경과에 따라 분광기로 측정할 수 있는 파장을 나타내는 그래프이다.
도 7은 파장가변광원과 광출력 검출기를 이용하여 투과율을 측정하는 광특성 측정 장치의 일 실시 예를 보여주는 도면이다.
도 8은 반사율을 측정하는 광바이오센서 광특성 측정 장치의 일 실시 예를 보여주는 도면이다.
도 9은 반사율을 측정하는 파장 가변광원과 광출력 검출기를 이용한 광특성 측정 장치의 일 실시 예를 보여주는 도면이다.
도 10은 일반적인 바이오센서칩을 도시한 블록도이다.
도 11은 도 10에 도시된 바이오센서칩의 내부 구조도이다.
도 12은 시간에 따른 측정 파장과 실제 투과율(또는 반사율)의 피크 파장(또는 딥 파장)의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 13a는 분광기와 단채널 측정기를 사용하여 투과율 측정하는 측정장치에서 T0를 감지하는 측정장치의 구성도이다.
도 13b 내지 도 13e는 도 13a에 도시된 측정장치의 변화를 도시한 그래프이다.
도 14a는 분광기와 단채널 측정기를 사용하여 반사율 측정하는 측정장치에서 T0를 감지하는 측정장치의 구성도이다.
도 14b 내지 도 14e는 도 14a에 도시된 측정장치의 변화를 도시한 그래프이다.
도 15a는 파장가변광원과 광출력 측정기를 이용하는 투과율을 측정하는 광바이오센서 리더기에서 추가 광원을 설치하여 T0를 측정하는 실시 예를 보여주는 도면이다.
도15b는 도 15a에 있어서 파장가변광원을 끈 상태에서 추가광원만으로 T0 시점을 측정한 뒤 추가광원을 끄고 파장가변광원을 이용하여 투과율 스펙트럼의 변화를 측정하는 본 발명의 일 실시 예를 도시한 도면이다.
도 15c는 도 15a에 있어서 파장가변광원이 출력을 일정하게 유지하고 추가광원의 출력을 구형파 혹은 사인파등으로 변조하여 시점을 측정하는 본 발명의 일 실 시 예를 도시한 도면이다.
도 16는 파장가변광원과 광출력 측정기를 이용하는 반사율을 측정하는 광바이오센서 리더기에서 추가 광원을 설치하여 T0를 측정하는 실시 예를 보여주는 도면이다.
도 17a은 본 발명의 제2 실시예에 따른 광바이오센서 측정 장치를 도시한 블록도이다.
도 17b는 도 17a에 있어서 파장가변광원을 끈 상태에서 추가광원만으로 T0 시점을 측정한 뒤 추가광원을 끄고 파장가변광원을 이용하여 투과율 스펙트럼의 변화를 측정하는 본 발명의 일 실시 예를 도시한 도면이다.
도 18은 본 발명의 제3 실시예에 따른 광바이오센서 측정 장치를 도시한 블록도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *
1501; 파장광원 조절기 1502; 파장가변광원
1503; 광원조절기 1504; 추가광원
1505; 커플러 1506; 렌즈
1507; 바이오센서 1508; 광출력 측정기
1509; 신호 처리 유닛 1510; 제어기

Claims (15)

  1. 샘플이 투여될 수 있는 센서;
    상기 센서의 반응을 검출하기 위하여 파장이 가변되는 광을 조사하는 파장가변광원;
    상기 반응의 초기 시간을 검출하기 위하여 파장이 고정된 광을 조사하는 추가광원;
    상기 파장가변광원 및 상기 추가광원의 광을 합치고, 상기 바이오센서에 상기 합쳐진 입력광을 조사하는 커플러; 및
    상기 입력광이 상기 센서에서 투과 또는 반사한 출력광으로부터 상기 센서의 반응을 검출하는 광출력 측정기를 포함하는 측정장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 추가광원은 시간에 대하여 광원출력이 변하는 측정장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 파장가변광원은 시간에 대하여 광원출력이 일정한 측정장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 파장가변광원의 상기 파장 출력을 제어하는 파장광원 조절기를 더 포함 하는 측정장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 추가광원의 출력을 사인파 또는 구형파로 변조하는 광원조절기를 더 포함하는 측정장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 광출력 측정기의 검출 결과에서 상기 추가광원에 의한 성분을 분리하는 신호 처리 유닛을 더 포함하는 측정장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서는 상기 반응을 검출하기 위한 특정한 항체를 포함하는 측정장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 샘플은 상기 항체와 반응하는 항원을 포함하는 측정장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 합쳐진 입력광을 평행하게 만드는 렌즈를 더 포함하는 측정장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서는 광바이오센서를 포함하는 측정장치.
  11. 샘플이 투여될 수 있는 센서;
    상기 센서에 광을 조사하는 광원;
    상기 광이 상기 바이오센서에서 투과 또는 반사한 출력광을 두 경로로 분리하는 빔스플리터;
    상기 빔스플리터로부터 하나의 경로의 출력광을 입력받아 상기 센서의 반응을 검출하는 분광기; 및
    상기 빔스플리터로부터 다른 경로의 출력광을 입력받아 상기 센서의 반응 초기 시간을 검출하는 광출력 측정기를 포함하는 측정장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 광출력 측정기는,
    상기 다른 경로의 출력광에서 상기 반응에 따른 파장대역을 출력하는 광학 필터를 포함하는 측정장치.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 파장대역은 투과율 또는 반사율이 최대가 되는 파장과 이에 인접한 파장을 포함하는 측정장치.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 광학 필터는 밴드 패스 필터를 포함하는 측정장치.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 센서는 광바이오센서를 포함하는 측정장치.
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