KR20130042659A

KR20130042659A - 주변-임계 반사 분광 장치, 시스템, 및 방법

Info

Publication number: KR20130042659A
Application number: KR1020137008315A
Authority: KR
Inventors: 로버트 쥐. 메쎄르슈미트
Original assignee: 레어 라이트, 인크.
Priority date: 2009-04-07
Filing date: 2010-04-07
Publication date: 2013-04-26
Also published as: AU2010234465A1; JP2012523567A; WO2010118175A2; CN102460120A; EP2417435A4; MX2011010635A; CN102460120B; SG175120A1; WO2010118175A3; AU2010234465B2; KR20120000108A; EP2417435A2; CA2758113A1; US9041923B2; US20120088486A1

Abstract

샘플의 임계 각도에 배향된 분광 장치는 샘플의 분광 특성을 검지하는 것으로 기재되어 있는데, 여기서 분광 장치는 샘플의 임계 각도에서 또는 그 부근에서의 입사 각도의 위치에서 샘플에 도입된 전자기 방사선으로 샘플을 여기시키도록 구성된 전자기 방사선 소스와, 상기 전자기 방사선 소스 및 샘플과 통신하고 상기 전자기 방사선을 내부적으로 반사하도록 구성된 고굴절율을 갖는 투과 크리스탈과, 상기 투과 크리스탈과 샘플 사이의 임계 각도 또는 그 근처의 입사 각도의 위치에서 샘플에 전자기 방사선을 도입하도록 구성된 반사기와, 상기 샘플로부터의 전자기 방사선을 검지하기 위한 검지기로 구성되어 있다. 또한, 본 발명에는 주변-임계 반사 분광 장치가 통합되어 있는 키트, 시스템 및 방법이 제공된다.

Description

주변-임계 반사 분광 장치, 시스템, 및 방법{PERI-CRITICAL REFLECTION SPECTROSCOPY DEVICES, SYSTEMS, AND METHODS}

상호-참조

본 출원은 2009년 4월 7일자로 출원된 발명의 명칭이 각도 분해 감쇠 반사 분광법을 위한 방법, 장치 및 키트(Methods, Devices and Kits for Angle-Resolved Attenuated Reflection Spectroscopy)인 미국 가출원 61/167,505호, 및 2009년 7월 17일자로 출원된 발명의 명칭이 각도 분해 감쇠 전반사 분광법을 위한 방법, 장치 및 키트(Methods, Devices and Kits for Angle-Resolved Attenuated Total Reflection Spectroscopy)인 미국 가출원 61/226,677호의 이익을 주장하며, 상기 출원들은 본원에 참조로 포함된다.

감쇠 전반사(ATR, Attenuated Total Reflection) 분광법으로도 알려진 내부 반사 분광법은 오랫동안 알려져 왔으며, 적외선(IR) 및 형광 분광법 및 기타 분광법에서의 샘플링 방법으로 폭넓게 사용된다. ATR은 임계 각도를 초과하여 실시되며 내부 반사만을 야기한다. 오랜 기간 동안 중적외선(MWIR), 또는 중간 적외선(IIR) 분광법은 특이성(specificity)이 가장 중요할 때 선택되는 기술이 되어 왔다. 이는 역사적으로 몇몇 이유에서 사용하기 어려운 기술이었다. 첫째, 많은 재료의 흡수율이 전자기 스펙트럼의 중적외선 영역(예컨대, 약 3~8㎛)에서 매우 높다. 이는 민감도의 관점에서는 좋을지라도, 이는 때때로 샘플링을 복잡하게 만든다. 그 결과, 이상적인 방식으로 샘플을 분광기에 도입하는 것을 보조하기 위해, 다양한 샘플링 기술이 개발되어 왔다. 아주 흔하고 문제가 있는 샘플 요소는 물이다. 약 800nm 내지 2500nm의 파장을 사용하는 근적외선(NIR) 영역에서, 제기될 수 있는 다른 문제는 경로 길이가 너무 짧을 수 있다는 사실이다. 한 가지 장점은 근적외선이 통상적으로 중적외선 방사에 비해 샘플 안으로 더 깊이 침투할 수 있다는 것이다. 그 결과, 문헌에 따르면 임계 각도는 밴드 왜곡으로 인해 회피되어야 한다고 충고한다.

분광법을 사용할 때 직면하는 한 가지 문제는 많은 샘플 시료(sample preparation)가 물을 포함하고 있다는 사실이다. 물은 중적외선에서 매우 높은 빛 흡수력을 갖는다. 따라서, 4000~400cm^-1의 전통적인 중적외선 영역에서 물의 스펙트럼을 측정하기 위해서는 경로 길이가 수십 마이크로미터 미만으로 제한되어야만 한다. ATR은 요구되는 이러한 매우 작은 경로 길이를 제공할 수 있다. 그러나 다른 조건의 경우, ATR의 경로 길이는 이상적인 샘플링을 위해 너무 작다. 이는 포유류의 피부 또는 다른 생물학적 조직을 통한 측정을 실시할 때, 또는 희망하는 스펙트럼 정보가 더 깊은 깊이로부터의 것이며 포유류의 피부의 표면에 인접하지 않을 때의 주요 문제점이 될 수 있다.

감쇠 전반사(ATR)는 종종 어려운 샘플링 조건에서 요구된다. 그 효과의 분광학적 유용성은 파렌포트(Fahrenfort)에 의해 1960년대에 처음 주목되었으며 이는 기본 광학 물리학으로부터 예측가능하다. 기본적으로, 빛이 높은 굴절률의 매질을 통해 전파하여 낮은 굴절률의 재료와의 계면에 접근할 때, 투과(transmission) 및 반사가 일어날 것이다. 이러한 투과 및 반사의 상대적 강도는 프레넬 방정식(Fresnel equation)에 의해 규율된다.

프레넬 방정식은 유전체 상으로의 전자기 방사선 입사에 대한 초기 전기장에 대한 반사된 전기장 크기와 투과된 전기장 크기의 비를 제공한다.

일반적으로, 파(wave)가 2개의 서로 다른 유전율 사이의 경계에 도달할 때, 파의 일부는 반사되고 일부는 투과되며, 이러한 2가지 파의 에너지의 합은 원 파장의 에너지와 동일하다. 이러한 방정식들의 평가는 빛이 높은 굴절률 매질을 통해 횡단하여 낮은 굴절률 매질과의 계면에 접근할 때, 투과되는 빛이 없이 반사되는 요소가 전부가 될 수 있다는 것을 나타낸다. 이것이 발생하는 각도는 임계 각도라 불리며 다음의 방정식(5)에 의해 규정된다.

반사된 요소는 계면에서의 입사 각도과 동일하고 그와 반대인 반사각을 갖는다. 임계 각도 위에서는 모든 빛이 반사된다. 임계 각도 아래서는 상기 프레넬 방정식에 따라 일부 빛이 계면을 통해 투과할 수 있다. 이러한 모드에서 작동하는 장치는 스넬의 법칙(Snell's Law)[식(6)]에 따라 굴절하는 빛을 사용할 수 있다.

전술한 바와 같이, 임계 각도 위에서는 모두 반사된다. 파렌포트는 전반사 시에 정상파 또는 소산파(evanescent wave)가 높은 굴절률과 낮은 굴절률의 계면에서 형성된다는 것을 먼저 주목하였다. 파는 더욱 소한 (낮은 굴절률) 매질로 지수적으로 감소하는 강도를 갖는다. 소한 매질로 일정 거리 연장하는 이러한 소산파(정상파)의 근처에 흡수 물질이 배치된다면, 재료의 흡수 특성에 대응하는 특정 파장에서 빛의 일부를 흡수할 것이다. 이러한 방식으로, 전반사는 샘플의 흡수에 의해 "방해된다(frustrated)"고 말할 수 있다. 그러면, 복귀하는 빛은 검지기에서 잃어버린 에너지를 결정하기 위해 평가된다. 다음으로, 이 모드는 빛이 진행하는 높은 굴절률 매질과 접촉하는 재료의 적외선 스펙트럼을 얻는데 사용될 수 있다. 이러한 상호작용의 강도는 해릭(Harrick)에 의해 발전된 몇몇 공식을 통해 예측될 수 있다. 첫째, 침투 깊이는 소산파(정상파)의 지수적 감소의 1/e 지점으로 규정되며[식(7)],

여기서, n2는 샘플 굴절률이고, n1은 크리스탈 굴절률이다. 관통 깊이는 소멸파 전기 벡터의 강도가 그의 원래 강도로부터 1/e(e는 오일러 수임)의 값으로 감쇠되는 지점으로서 정의된다. ATR로 얻어질 신호의 강도를 특성화하기 위해 관통 깊이를 사용하는 빠른 계산(quick calculation)이 종종 실행된다. 빠른 계산은 덜 정확하지만 가이드를 제공하기에 적합할 수 있다. 소멸파 전기 벡터가 감쇠되는 지점에 대한 더 정확한 방정식은 해릭(Harrick)에 의해, 즉, 유효 두께 또는 유효 깊이, d_e로 유도되었다.

샘플이 소멸파의 1/e 지점과 비교하여 얇다면 추가적인 문제가 생긴다. 유효 두께 계산은 베르의 법칙(Beer's Law) 계산에 사용될 수 있는 숫자를 생성하고, 수직 입사에서 이루어진 투과 측정에서의 경로 길이에 밀접하게 관련된다. 이제 고려해야 할 3개의 굴절률 이 존재한다: 크리스탈(crystal)의 굴절률 n₁, 샘플의 얇은 층의 굴절률 n₂, 샘플 너머의 임의의 것, 보통은 공기의 굴절률 n₃. 또한, 기하구조가 보통 직각에 가깝지(near-normal) 않기 때문에 계산은 3개의 직교 축에 대해 실행되어야 한다. 최종적으로, 측정은 편광(polarization)에 의존적이며, 2개의 직교 편광에 대해 계산되어야 한다. 이러한 논의의 목적을 위해 얇은 층은 등방성(isotropic)으로 가정되고 편광은 무작위적인 것으로 간주된다. 따라서, 샘플 층 두께가 관통 깊이보다 훨씬 작은 샘플의 얇은 층에 대한 유효 깊이 방정식은 이하와 같다:

단, z 값은 ATR 프리즘의 표면에 대한 필름의 초기 및 최종 z-차원 위치이다. E 항은 매질 2의 전기 벡터의 강도의 제곱이며, E는 광 강도에 비례한다. 편광된 입사 광에 대하여,

3개의 직교 전기장 성분은 프레넬 방정식(Fresnel's equation)으로부터 계산된다:

바로 위의 방정식에서, 장의 강도 계산을 매우 단순화하기 위해 얇은 필름 근사치(approximation)가 사용된다. 전술한 바와 같이, 해릭은 이러한 근사치를 제안하였다. 이러한 근사치를 사용하기 위한 요구조건은, 샘플이 무한대로 두꺼웠을 때 필름이 관통 깊이에 비해 매우 얇아야 한다는 것이다. 6㎛ 측정 파장에서 두꺼운 필름에 대한 관통 깊이는 2.32㎛일 것이다. 예를 들어, 탄저균 아포(anthrax spore)의 단분자막(monolayer)은 대략 0.4㎛의 두께를 가질 것이고, 따라서, ATR 프리즘 상에 전착된 탄저균 아포에 대한 조기 검지 및 식별에 있어서 얇은 필름 근사치가 유효하다. 상기 방정식들에 사용된 값들은 이하와 같다: n₁ = 2.2, n₂ = 1.5, n₃ = 1.0, =45, z_i = 0. 및 z_f = 0.4 m. 장의 강도에 대해 계산된 값은 이하와 같다:

= 1.37,

= 0.79, 및

= 1.60. 각 벡터에 대해 계산된 유효 경로는

= 0.45 m,

= 0.62 m,

= 0.15 m,

= 0.60 m,

= 0.62 m, 및

= 0.61 m. 유효 두께에 대한 최종 값은 따라서 0.61㎛이다.

본 명세서에서 모델링된 ATR 시스템을 통한 단일 반사는 0.61㎛ 두께인 투과에서 측정된 아포의 층과 비교가능한 (6㎛ 파장의) 신호를 발생시킬 것이며, 단, 0.4㎛의 두께를 갖는 아포 단일분자막을 가정한다. 따라서 심지어 단일 반사에서도 ATR 기술에 의해 1.5x 투과 측정 강도를 갖는 스펙트럼이 발생된다. 이러한 계산은 복수의 반사를 사용함으로써 극적으로 증가되어, ATR 적외선이 탄저균과 같은 생물학전 작용제에 대한 우수한 식별자가 될 수 있다.

ATR 분광법에 관한 다른 개념은, 예를 들어, 리(Li) 등에게 허여된 ATR-FTIR 금속 표면 청결 모니터링(ATR-FTIR Metal Surface Cleanliness Monitoring)에 대한 미국 특허 제6,908,773호; 탐부리노(Tamburino)에게 허여된 ATR 궤도 추적 시스템(A-트랙)(ATR Trajectory Tracking System (A-Track))에 대한 제7,218,270호; 비넘(Bynum) 등에게 허여된 ATR 크리스탈 장치(ATR Crystal Device)에 대한 제6,841,792호; 보즈(Boese)에게 허여된 FTIR 분광법을 위한 ATR 측정 셀(ATR Measuring Cell for FTIR Spectroscopy)에 대한 제6,493,080호; 버먼(Berman) 등에게 허여된 적외선 ATR 글루코즈 측정 시스템을 위한 세척 시스템(II)(Cleaning System for Infrared ATR Glucose Measurement System (II))에 대한 제6,362,144호; 버카(Burka) 등에게 허여된 이미징 ATR 분광기(Imaging ATR Spectrometer)에 대한 제6,141,100호; 버먼 등에게 허여된 피부의 단일 표면을 사용하는 적외선 ATR 글루코즈 측정 시스템(Infrared ATR Glucose Measurement System Utilizing a Single Surface of Skin)에 대한 제6,430,424호에 개시된다.

또한 관심을 가질 수 있는 다른 참조문헌에는, Ok의 2006년 7월 7일 공개된 표면 플라즈몬 공진을 사용하는 휴대용 바이오칩 스캐너(Portable Biochip Scanner Using Surface Plasmon Resonance)에 대한 제KR 20060084499 A호(미국에서는 제US 2006/0187459 Al호로 공개됨); 코쇼부(Koshoubu) 등에게 허여된 2009년 2월 17일에 발행된 감쇄된 전체 반사 측정 장치(Attenuated-Total-Reflection Measurement Apparatus)에 대한 미국 특허 제7,492,460 B2호(제US 2006/0164633 Al호로 공개됨); 키무라(Kimura)에게 허여된 2002년 7월 9일에 발행된 임계 각도와의 차에 기반한 총 반사 파단각을 얻는 표면 플라즈몬 센서(Surface Plasmon Sensor Obtaining Total Reflection Break Angle Based on Difference from Critical Angle)에 대한 미국 특허 제6,417,924 Bl호; 비크로프트(Beecroft) 등에게 허여된 2007년 6월 26일에 발행된 핸드헬드 분광기(Hand-Held Spectrometer)에 대한 미국 특허 제7,236,243 B2호; 맨텔(Mantele) 등의 2006년 3월 2일에 공개된 특히 수성 시스템, 바람직하게는 다중 콤포넌트 시스템의 분광계를 위한 적외선 측정 장치(Infrared Measuring Device, Especially for the Spectrometry of Aqueous Systems, Preferably Multiple Component Systems)에 대한 미국 공개공보 제US 2006/0043301 Al호; 및 비크로프트 등의 2005년 10월 20일에 공개된 핸드헬드 분광기(Hand-held Spectrometer)에 대한 미국 공개공보 제US 2005/0229698 Al호가 있다.

그러나, 샘플을 검지하고 분류하기 위한 ATR 샘플링 모드의 종종 간과되는 이점은 산란 효과에 대한 면역성이다. 해릭(Harrick)은 ATR 모드는 투과 또는 통상적인 반사와 달리 광 산란의 효과를 제거한다고 지적하였다. 사실상 샘플이 대개 광 산란을 증가시키는 상황인 입상(granular)이라 하더라도, ATR 스펙트럼은 편평한 베이스라인을 유지할 것이다. 이것은 동일 샘플의 상이한 준비가 서로 더욱 유사할 수 있고, 따라서 동일 그룹 내에서 분류가 더 용이하다는 것을 의미한다. 2개의 샘플 사이에 실제의 화학적 차이가 존재한다면, 샘플의 형태, 준비 및 패킹이 변수로서 제거되기 때문에 차이점들은 더욱 용이하게 인지된다. 종종 간과되는 ATR의 이점은 산란 효과에 대한 면역성이다. "완전한" 적외선 스펙트럼은 샘플의 분자 구조와 관련된 정보만을 포함할 것이다. 샘플링 아티팩트(artifact)는 거의 항상 이 순수 스펙트럼에 중첩된다. 그러나, ATR은 샘플 산란으로 인한 차이들 중 일부를 제거하여, 샘플을 식별하고 분류하는 능력을 향상시킬 수 있다. 이것은 조직 분광법 영역에서 대단한 장점일 수 있다.

분광법 논문에서 되풀이되는 흥미로운 주제는 임계 각도로부터 멀리 머무르라는 충고인데(Internal Reflection Spectroscopy: Theory and Applications, Francis M. Mirabella, CRC Press, 1993), 이는 스펙트럼 왜곡이 발생하기 때문이다. 이것은 일찍이 해릭(Harrick)의 영향력 있는 저서에서 지적되었으며, 그 후로 여러번 반복되었다. 이러한 경고의 근거는 침투 깊이 방정식에 나타나 있다. 입사 각도가 작아지고 임계 각도에 접근함에 따라서, 더 희귀한 매체 안으로의 소멸파(evanescent wave)의 침투 깊이는 총체적 내부 반사 조건이 더 이상 유지되지 않는 임계 각도까지 커진다. 임계 각도 미만에서는, 내부 반사가 훨씬 더 흔하고 훨씬 덜 유용한 외부 반사로 변한다. 외부 반사도 또한 프레즈넬 반사 법칙에 의해 지배를 받지만, 결과적인 반사는 더 이상 총체적이지 않다. 외부 반사시에는, 큰 에너지 효율을 ATR 프리즘에 그리고 이어서 검지기에 커플링하는 것이 불가능하다.

많은 샘플에서, 샘플 안으로 큰 침투 깊이를 갖는 것이 바람직하다. 이것은 샘플에 대한 임계 각도에 매우 근접한 전자기 에너지를 도입함으로써 달성될 수 있다. 대부분의 분광법에서, 광 비임은 검지기를 채우고 높은 신호 대 노이즈 비율(SNR)을 얻기 위해 상당한 각도 분산을 갖는다. 그러나, 큰 각도 분산이 있기 때문에, 임계 각도에 접근함에 따라서, 비임의 일부는 임계 각도를 초과하기 시작하는 한편, 비임의 다른 일부는 여전히 임계 각도로부터 먼 각도에 있다. 또한, 대부분의 샘플에서, 관심 스펙트럼 영역을 가로질러 굴절률의 분산이 존재하고, 따라서 임계 각도가 파장마다 상이하다. 따라서, 이들 인자는 평균 각도가 임계 각도로부터 수 도 정도일 것을 종종 요구한다.

더 희귀한 매체 내로의 침투 깊이는 실제로 상당히 커질 수 있다는 것을 쉽게 볼 수 있다. 큰 침투 깊이가 바람직한 많은 응용예들이 있다. 신체 구성부의 비침습성 측정이 그 중 하나이다. 논문에서 반복적으로 교시하는 바는 ATR이 큰 경로 길이를 가질 수 없고, 큰 침투 깊이를 가질 수 없으며, 이는 스펙트럼의 왜곡이 임계 각도 근처에서 일어나기 때문이라는 것이다. 이 문제는 고도로 시준된 광 비임을 사용함으로써 극복될 수 있었다. 고도로 시준될 수 있고 여전히 대량의 에너지를 포함하는 광원이 현재 입수 가능하다. 고도로 시준될 수 있고 여전히 대량의 에너지를 포함하는 양자 폭포 레이저와 같은 많인 레이저 및 발광 다이오드(LED) 소스가 현재 입수 가능하다. 그러나, 이것은 문제에 대한 완벽한 해법은 아니다.

극복되어야 할 다른 문제는 대부분의 샘플 자체가 그들의 굴절률에 파장 분산을 나타낸다는 사실이다. 샘플에 대한 유용한 분광 정보가 요구된다면, 형광 분광법에 의해서든, 근적외 분광법에 의해서든, 테라헤르쯔 분광법에 의해서든 또는 몇몇 다른 분광법에 의해서든, 일부 파장 범위에 걸쳐 신호가 수집되어야 한다. 관심 파장 범위에 걸쳐 임계 각도가 파장에 따라 변할 것이라는 점은 거의 확실히 사실일 것이다. 임계 각도는 샘플 형상 또는 샘플의 물리적 상태와 같은 샘플의 다양한 특징에 따라서 동일 샘플 내에서조차 변할 것이다. 따라서, 소정 파장에서 소정 샘플에 대해 임계 각도가 놓일 곳을 선험적으로 아는 것을 불가능하지는 않더라도 매우 어렵다. 필요한 것은 ATR 측정에 추가된 치수, 즉 강도 대 파장의 맵핑 뿐만 아니라 강도 대 파장 대 입사 및/또는 반사 각도의 맵핑이다.

ATR 샘플러는 다중 반사를 허용하도록 설계될 수 있다. 다중 반사는 따라서 적외 스펙트럼의 강도를 배가한다. 반사의 수는 최고의 가능한 신호 대 노이즈 비율을 부여하기 위해 최적의 유효 경로 길이에 도달하도록 조정될 수 있다. 본원에 설명된 장치 및 방법은 투과 모드 또는 전통적인 ATR 모드에서 측정하는 것보다 적어도 10배 또는 100배의 측정을 제공한다. 관심 각도 공간을 성공적으로 맵핑하기 위해서는, 임계 각도를 가로지르고 또한 임계 각도 미만의 데이터를 수집하는 것이 바람직할 것이다. 이 데이터는 각각의 파장의 실제 임계 각도를 판단하는데 유용할 수 있다.

본 발명의 실시형태는 샘플의 스펙트럼 특성을 검지하기 위한 장치에 관한 것이다. 장치는 적어도 제1 파장과 제2 파장 내의 전자기 방사선 소스와, 적어도 제1 파장과 제2 파장내의 전자기 방사선을 반사하도록 구성된 고 굴절율을 갖는 크리스탈과, 크리스탈과 샘플 사이의 임계 각도를 포함한 각도 범위를 넘은 위치에서 샘플에 적어도 제1 파장 및 제2 파장으로 전자기 방사선을 도입하도록 구성된 반사기와, 샘플로부터 적어도 제1 파장 및 제2 파장의 각각으로부터 복귀 전자기 방사선을 검지하기 위한 검지기를 포함한다. 부가적으로, 장치의 구성요소는 하우징 내에 포함되어 있는 것으로 구성될 수 있다. 장치를 위한 적절한 검지기는 텔루르화 수은 검지기, 선형 어레이 검지기, 및 2차원 어레이 검지기 등의 단일 요소 검지기를 포함하나, 이에 제한되지 않는다. 전자기 방사선 소스는 임계 각도 또는 그 아래에 있는 입사 각도에서 샘플에 전자기 방사선을 전달하도록 구성될 수 있다. 다른 구성에서, 샘플에 전달된 전자기 방사선은 샘플이 임계 각도에 근접하고 통과하도록 전달될 수 있다. 다른 구성에서, 방사는 임계 각도 또는 임계 각도를 초과하는 각도에서 전달될 수 있다. 이러한 방사는 임계 각도에 근접하고 통과하는 방식으로 전달되도록 조절될 수 있다. 데이터 처리기는 검지기와 통신하도록 제공될 수 있다. 데이터 처리기는 데이터 처리기가 시스템의 임의의 구성요소로부터 정보를 수신하고 샘플로부터 검지기에 의해 수신된 하나 이상의 전자기 방사선 검지로부터 샘플의 임계 각도 맵을 생성하도록 구성될 수 있다. 적절한 전자기 방사선 소스는 예를 들어, 양자 폭포 레이저(quantum cascade laser)를 포함한다. 일부 구성에서, 장치는 방사선을 시준하도록 구성된다. 장치들은 체적당 1 입방피트 미만, 체적당 125 입방피트 미만, 체적당 8 입방피트 미만의 면적에 내장되도록 구성된다. 적절한 구성은 또한 휴대형으로 구성된다. 다른 구성에서, 디스플레이 스크린이 제공된다. 디스플레이 스크린이 구성될 수 있고 예를 들어, 임계 각도 맵을 포함하여 사용자에게 유용한 정보를 디스플레이하도록 구성될 수 있다. 테이터 처리기는 반사된 광의 강도의 전체 맵 대 파장 대 검지된 전자기 방사선으로부터 입사 각도의 맵핑을 생성하도록 구성될 수 있다. 더욱이, 일부 실시형태에서, 구동 기구가 제공될 수 있다. 구동 기구는 크리스탈 또는 프리즘을 축에 대해 피봇팅시키도록 구성될 수 있다. 냉각기가 또한 제공될 수 있다. 냉각기는 검지기를 냉각하기 위해 유용하다. 부가적으로, 하나 이상의 여과기가 제공될 수 있으며, 하나 이상의 렌즈가 제공될 수 있다. 렌즈는 1mm² 미만의 검지기 상에 전자기 방사선을 촬상하도록 구성될 수 있다.

본 명세서의 또 다른 실시형태는 샘플의 스펙트럼 특성을 검지하기 위한 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 예를 들어, 샘플을 크리스탈에 근접하여 위치시키는 단계와, 고정 또는 가변 입사 각도에서 크리스탈을 통해 적어도 제1 파장 및 제2 파장 내에 전자기 방사선 소스로부터 전자기 방사선을 방출하는 단계와, 샘플의 입사 각도에서 또는 그 부근에서 입사 각도에서 크리스탈을 통한 위치에서 적어도 제1 파장 및 제2 파장내의 전자기 방사선을 샘플에 도입하는 단계와, 샘플로부터 적어도 제1 파장 및 제2 파장으로부터 복귀 전자기 방사선을 검지하는 단계를 포함한다.

부가적으로, 상기 방법은 입사 각도 아래의 입사 각도에서 전자기 방사선을 도입하는 단계와, 전자기 방사선의 입사 각도를 점진적으로 증가시켜 입사 각도가 임계 각도에 근접하고 임계 각도를 통과하게 하는 단계를 포함한다. 상기 방법의 일부 실시형태에서, 방법은 임계 각도 위의 입사 각도에서 전자기 방사선을 도입하는 단계와, 전자기 방사선의 입사 각도를 점진적으로 감소시켜 입사 각도가 임계 각도에 근접하고 임계 각도를 통과하게 하는 단계를 포함한다. 부가적으로, 상기 방법은 반사된 광의 강도의 전제 맵 대 파장 대 입사 각도의 맵핑을 생성하는 단계와, 검지된 전자기 방사선을 임계 각도 측정의 데이터베이스와 비교하는 단계와, 데이터베이스로부터 하나 이상의 임계 각도 측정 및 검지된 전자기 방사선 계수를 디스플레이하는 단계와, 전자기 방사선을 여과하는 단계와, 크리스탈 또는 프리즘을 축에 대해 피봇팅하는 단계와, 검지기를 냉각시키는 단계와, 1mm² 미만의 검지기 영역상에 전자기 방사선을 촬상하는 단계중 하나 이상의 단계를 포함할 수 있다.

일 실시형태는 하나 이상의 네트워크화된 장치들을 포함한다. 네트워크화된 장치들은 메모리, 처리기, 커뮤니케이터, 디스플레이와, 적어도 제1 파장 및 제2 파장 내의 전자기 방사선 소스를 포함하는 스펙트럼 특성을 검지하기 위한 장치와, 적어도 제1 파장 및 제2 파장으로부터 전자기 방사선을 반사시키도록 구성된 고 굴절율을 갖는 크리스탈과, 크리스탈과 샘플 사이의 임계 각도을 포함한 각도 범위를 가로지른 위치에서 샘플에 적어도 제1 파장 및 제2 파장의 전자기 방사선을 도입하도록 구성된 반사기와, 샘플로부터 전자기 방사선으로부터 적어도 제1 파장 및 제2 파장의 각각으로부터 복귀 전자기 방사선을 검지하기 위한 검지기를 포함한다.

일부 실시 형태에서, 커뮤니케이션 시스템이 제공된다. 커뮤니케이션 시스템은 적어도 제1 파장 및 제2 파장내에 전자기 방사선 소스를 포함하는 스펙트럼 특성을 검지하기 위한 장치와, 적어도 제1 파장 및 제2 파장으로부터 전자기 방사선을 반사하도록 구성된 고 굴절율을 갖는 크리스탈과, 크리스탈과 샘플 사이의 임계 각도을 포함한 각도 범위를 가로지른 위치에서 샘플에 적어도 제1 파장 및 제2 파장 내에 전자기 방사선을 도입하도록 구성된 반사기와, 샘플로부터 전자기 방사선으로부터 적어도 제1 파장 및 제2 파장의 각각으로부터 복귀 전자기 방사선을 검지하기 위한 검지기와, 서버 컴퓨터 시스템과, 네트워크 상으로 샘플의 특성을 측정하기 위해 시스템으로부터 샘플 측정의 투과를 허용하기 위한 서버 컴퓨터 시스템 상의 측정 모듈과, 샘플 측정에 대한 메세지를 생성하고 소정의 수신 사용자 이름을 갖는 수신자에게 API 통합 네크워크 상으로 메세지를 전송하기 위해 샘플의 특성을 측정하기 위한 적어도 하나의 시스템에 연결된 적어도 하나의 API 엔진과, 샘플 측정에 대한 SMS 메세지를 생성하고 소정의 샘플 측정 수신 전화번호를 갖는 수신자 장치에 네크워크 상으로 SMS 메세지를 전송하기 위해 샘플의 특성을 측정하기 위한 적어도 하나의 시스템에 연결된 SMS 엔진과, 샘플 측정에 대한 이메일 메세지를 생성하고 소정의 샘플 측정 수신 이메일 주소를 갖는 샘플 측정 수신 이메일에 네크워크 상으로 이메일 메세지를 전송하기 위해 샘플의 특성을 측정하기 위한 적어도 하나의 시스템에 연결된 이메일 엔진을 포함한다. 샘플 서버 데이터베이스의 특성을 측정하기 위한 시스템에 샘플 측정을 저장하기 위해 저장 모듈이 서버 컴퓨터 시스템에 제공될 수 있다. 또한, 샘플의 특성을 측정하기 위한 적어도 하나의 시스템은 이동 전화 네트워크(mobile phohe network)와 인터넷 네트워크 중 적어도 하나를 통해 서버 컴퓨터에 연결될 수 있고, 샘플 측정 수신 전자 장치(sample measurement recipient electronic device)의 브라우저는 서버 컴퓨터 시스템의 인터페이스를 검색하기 위해 이용될 수 있다. 또한, 복수개의 이메일 주소는 샘플 데이터베이스의 특성을 측정하기 위한 시스템에 보유되고, 전체 이메일 주소들 중 몇몇은 컴퓨터 시스템으로부터 개별적으로 선택될 수 있으며, 이메일 메시지는 적어도 하나의 선택된 이메일 주소를 갖는 적어도 하나의 샘플 측정 수신 이메일로 전달된다. 일부 경우에 있어서, 샘플의 특성을 측정하기 위한 적어도 하나의 시스템은 인터넷을 통해 서버 컴퓨터 시스템에 연결될 수 있고, 샘플 측정 수신 전자 장치의 브라우저는 서버 컴퓨터 시스템의 인터페이스를 검색하기 위해 이용될 수 있다. 예를 들어, 시스템이 의료인과 통신하게 되면, 복수개의 사용자 이름은 분광 특성 데이터베이스를 검지하기 위한 시스템에 보유되고, 전체 사용자 이름 중 몇몇은 컴퓨터 시스템으로부터 개별적으로 선택될 수 있으며, 메시지는 API를 거쳐 적어도 하나의 샘플 측정 수신 사용자 이름으로 전달된다. 또한, 샘플 측정 수신 전자 장치는 인터넷을 통해 서버 컴퓨터 시스템에 연결될 수 있고, 샘플 측정 수신 전자 장치의 브라우저는 서버 컴퓨터 시스템의 인터페이스를 검색하기 위해 이용될 수 있다. 샘플 측정 수신 전자 장치는 또한 셀룰러 폰 네트워크(cellular phone network)를 통해 서버 컴퓨터 시스템에 연결될 수 있고, 이런 경우 전자 장치는 모바일 장치이다. 또한, 시스템은 서버 컴퓨터 시스템에 인터페이스를 포함할 수 있고, 인터페이스는 샘플 측정 수신 모바일 장치의 어플리케이션에 의해 검색될 수 있다. 일부 경우에 있어서, SMS 샘플 측정은 샘플 측정 수신 모바일 장치의 메시지 어플리케이션에 의해 수신된다. 복수개의 SMS 샘플 측정이 샘플 측정을 위해 수신되는데, 각각의 샘플 측정은 각각의 샘플 측정 수신 모바일 장치의 각각의 메시지 어플리케이션에 의해 수신되다. 적어도 하나의 SMS 엔진은 샘플 측정 수신 모바일 장치로부터 셀룰러 폰 SMS 네트워크를 통해 SMS 응답을 수신하여 서버 컴퓨터 시스템에 SMS 응답을 저장하도록 구성될 수 있다. 또한, 샘플 측정 수신인 전화 번호 ID는 SMS 샘플 측정과 함께 SMS 엔진으로 전달되어 SMS 샘플 측정과 SMS 응답을 연관시키도록 서버 컴퓨터 시스템에 의해 이용된다. 또한, 서버 컴퓨터 시스템은 샘플 측정 수신 모바일 장치로부터 응답을 수신하기 위해 셀룰러 폰 네트워크를 통해 연결될 수 있다. SMS 샘플 측정은 또한 URL을 포함할 수 있고, 상기 URL은 샘플 측정 수신 모바일 장치로부터 서버 컴퓨터 시스템으로 응답하기 위해 샘플 측정 수신 모바일 장치에서 선택될 수 있으며, 서버 컴퓨터 시스템은 SMS 샘플 측정과 응답을 연관시키기 위해 URL을 이용한다. 통신 시스템은 적어도 몇몇 구조에서 샘플 측정 수신 모바일 장치에 있는 다운로드 가능한 어플리케이션을 더 포함할 수 있으며, 다운로드 가능한 어플리케이션은 셀룰러 폰 네트워크를 통해 응답과 샘플 측정 수신인 전화 번호 ID를 서버 컴퓨터 시스템으로 전달하며, 서버 컴퓨터 시스템은 응답과 SMS 샘플 측정을 연관시키기 위해 샘플 측정 수신인 전화 번호 ID를 이용한다. 다른 구조에서, 시스템은 전달 모듈(transmission module) 및/또는 샘플 측정 수신인 호스트 컴퓨터에 있는 다운로드 가능한 어플리케이션을 포함하며, 상기 전달 모듈은 셀룰러 폰 SMS 네트워크를 통해 송신된 샘플 측정과 함께, 셀룰러 폰 SMS 네트워크 외의 다른 네트워크를 통해 샘플 측정 수신 사용자 컴퓨터 시스템으로 샘플 측정을 전달하며, 상기 다운로드 가능한 어플리케이션은 셀룰러 폰 네트워크를 통해 응답과 샘플 측정 수신인 셀룰러 폰 ID를 서버 컴퓨터 시스템으로 전달하며, 서버 컴퓨터 시스템은 응답과 SMS 샘플 측정을 연관시키기 위해 샘플 측정 수신인 셀룰러 폰 ID를 이용한다.

다른 태양은 하나 이상의 네트워크 장치를 포함한다. 네트워크 장치는 메모리와, 처리기와, 커뮤니케이터와, 디스플레이와, 샘플의 분광 특성을 검지하기 위한 장치를 포함하며, 검지 장치는 전자기 방사선을 이용하여 샘플을 여기시키도록 구성된 전자기 방사선 소스와, 전자기 방사선 소스와 샘플을 통신시키는 크리스탈(crystal)로서 전자기 방사선을 반사시키도록 구성된 고굴절률을 갖는 크리스탈과, 크리스탈과 샘플 사이의 임계 각도와 동일하거나 임계 각도에 가까운 입사 각도로 소정 위치에서 샘플에 전자기 방사선이 유입되도록 구성된 반사기와, 샘플로부터 전자기 방사선을 검지하기 위한 검지기를 포함한다.

일부 태양에서, 통신 시스템은, 샘플의 분광 특성을 검지하기 위한 장치로서 전자기 방사선을 이용하여 샘플을 여기시키도록 구성된 전자기 방사선 소스와, 전자기 방사선 소스와 샘플을 통신시키는 크리스탈(crystal)로서 전자기 방사선을 반사시키도록 구성된 고굴절률을 갖는 크리스탈과, 크리스탈과 샘플 사이의 임계 각도와 동일하거나 임계 각도에 가까운 입사 각도로 소정 위치에서 샘플에 전자기 방사선이 유입되도록 구성된 반사기와, 샘플로부터 전자기 방사선을 검지하기 검지기를 포함하는 샘플의 분광 특성을 검지하기 위한 장치와, 서버 컴퓨터 시스템과, 샘플의 특성을 측정하기 위한 시스템으로부터 네트워크를 통해 샘플 측정의 전달을 허용하는 서버 컴퓨터 시스템상의 측정 모듈과, 샘플 측정에 대해 메시지를 생성하여 메시지를 API 통합 네트워크를 통해 미리 정해진 수신 사용자 이름을 갖는 수신인에게 전달하기 위해 샘플의 특성을 측정하기 위한 적어도 하나의 시스템에 연결되는 적어도 하나의 API 엔진과, 샘플 측정에 대해 SMS 메시지를 생성하여 SMS 메시지를 네트워크를 통해 미리 정해진 샘플 측정 수신인 전화 번호를 갖는 수신인 장치로 전달하기 위해 샘플의 특성을 측정하기 위한 적어도 하나의 시스템에 연결되는 SMS 엔진과, 샘플 측정에 대해 이메일 메시지를 생성하여 이메일 메시지를 네트워크를 통해 미리 정해진 샘플 측정 수신 이메일 주소를 갖는 샘플 측정 수신 이메일로 전달하기 위해 샘플의 특성을 측정하기 위한 적어도 하나의 시스템에 연결되는 이메일 엔진을 포함한다. 샘플 서버 데이터베이스의 특성을 측정하기 위한 시스템에 샘플 측정을 저장하기 위해 저장 모듈이 서버 컴퓨터 시스템에 제공될 수 있다. 또한, 샘플의 특성을 측정하기 위한 적어도 하나의 시스템은 이동 전화 네트워크와 인터넷 네트워크 중 적어도 하나를 통해 서버 컴퓨터 시스템에 연결될 수 있고, 샘플 측정 수신 전자 장치의 브라우저는 서버 컴퓨터 시스템의 인터페이스를 검색하기 위해 이용된다.

또한, 복수의 이메일 주소가 샘플 데이터베이스의 특성을 측정하기 위한 시스템 내에 보유되고, 전체 이메일 주소보다 적은 이메일 주소가 컴퓨터 시스템으로부터 개별적으로 선택되고, 이메일 메시지는 적어도 하나의 선택된 이메일 주소를 갖는 적어도 하나의 샘플 측정 수신 이메일로 전달된다. 일부 예에서, 샘플의 특성을 측정하기 위한 적어도 하나의 시스템은 인터넷을 통해 서버 컴퓨터 시스템에 접속 가능하며, 샘플 측정 수신 전자 장치상의 브라우저가 서버 컴퓨터 시스템상의 인터페이스를 검색하는데 사용된다. 시스템이 예컨대, 의료 공급자와 통신하는 경우, 복수의 사용자 이름이 스펙트럼 특성(spectral characteristics) 데이터베이스를 검지하기 위한 시스템 내에 보유되며, 전체 사용자 이름보다 적은 사용자 이름이 컴퓨터 시스템으로부터 개별적으로 선택될 수 있으며, 메시지는 API를 통해 적어도 하나의 샘플 측정 수신 사용자 이름으로 전송된다. 또한, 샘플 측정 수신 전자 장치는 인터넷을 통해 서버 컴퓨터 시스템에 접속될 수 있으며, 샘플 측정 수신 전자 장치상의 브라우저가 서버 컴퓨터 시스템상의 인터페이스를 검색하는데 사용된다. 또한, 샘플 측정 수신 전자 장치는 예컨대, 전자 장치가 모바일 장치인 경우, 셀룰러폰 네트워크를 통해 서버 컴퓨터 시스템에 접속될 수도 있다. 또한, 시스템은 서버 컴퓨터 시스템상의 인터페이스를 포함하고, 이 인터페이스는 샘플 측정 수신 모바일 장치상의 어플리케이션에 의해 검색될 수 있다. 일부의 경우에, SMS 샘플 측정은 샘플 측정 수신 모바일 장치상의 메시지 어플리케이션에 의해 수용된다. 복수의 SMS 샘플 측정이 샘플 측정을 위해, 각각의 샘플 측정 수신 모바일 장치상의 개별적인 메시지 어플리케이션에 의해 각각 수용된다. 적어도 하나의 SMS 엔진은 샘플 측정 수신 모바일 장치로부터 셀룰러폰 SMS 네트워크를 통해 SMS 응신을 수신하도록 구성될 수 있으며, 서버 컴퓨터 시스템에 SMS 응신을 저장한다. 또한, 샘플 측정 수신 전화번호 ID가 SMS 샘플 측정과 함께 SMS 엔진으로 전송되고, SMS 샘플 측정을 SMS 응신과 연관시키도록 서버 컴퓨터 시스템에 의해 사용된다. 또한, 서버 컴퓨터 시스템은 샘플 측정 수신 모바일 장치로부터 응신을 수신하기 위해 셀룰러폰 네트워크를 통해 접속될 수 있다. SMS 샘플 측정은 샘플 측정 수신 모바일 장치로부터 서버 컴퓨터 시스템으로 응신하도록 샘플 측정 수신 모바일 장치에서 선택 가능한 URL을 포함할 수도 있으며, 서버 컴퓨터는 이러한 응신을 SMS 샘플 측정과 연관시키기 위해 URL을 사용한다. 통신 시스템은, 다운 로드 가능한 어플리케이션이 샘플 측정 수신 모바일 장치상에 설치되는 구성, 다운로드 가능한 어플리케이션이 응신 및 샘플 측정 수신 전화번호 ID를 셀룰러폰 네트워크를 통해 서버 컴퓨터 시스템에 전송하는 구성, 및 서버 컴퓨터 시스템이 상기 응신과 SMS 샘플 측정을 연관시키기 위해 샘플 측정 수신 전화번호 ID를 사용하는 구성 중 적어도 일부를 추가로 포함할 수 있다. 다른 구성에서, 시스템은 셀룰러폰 SMS 네트워크가 아닌 네트워크를 통해 샘플 측정을, 셀룰러폰 SMS 네트워크를 통해 전송되는 샘플 측정과 병행하여 샘플 측정 수신 사용자 컴퓨터 시스템에 전송하는 전송 모듈, 및/또는 다운 로드 가능한 어플리케이션이 샘플 측정 수신 호스트 컴퓨터상에 설치되는 구성, 다운로드 가능한 어플리케이션이 상기 응신 및 샘플 측정 수신 전화번호 ID를 셀룰러폰 네트워크를 통해 서버 컴퓨터 시스템에 전송하는 구성, 및 서버 컴퓨터 시스템이 상기 응신과 SMS 샘플 측정을 연관시키기 위해 샘플 측정 수신 전화번호 ID를 사용하는 구성을 포함할 수 있다.

참조 문헌의 포함

본원에 언급된 모든 공개, 특허 및 특허 출원은 각각의 개별 공개, 특허 또는 특허 출원이 참조로서 포함되는 것으로 구체적으로 그리고 개별적으로 지시되는 것과 같이, 본원에 참조로서 포함된다.

본원의 신규한 특징은 첨부된 청구항에 상세하게 설명된다. 본 발명의 이러한 특징 및 장점은 본 발명의 원리가 사용된 도시적인 실시예를 설명하는 후속하는 상세한 설명을 참조하면 더욱 잘 이해될 것이며, 그 도면은 다음과 같다.
도 1은 입사 각도와 관통 깊이 사이의 상관 관계를 도시하는 그래프이다.
도 2는 주변 임계 반사 (peri-critical reflection) 분광 시스템의 일 도면이다.
도 3은 주변 임계 반사 (peri-critical reflection) 분광 시스템의 일 도면이다.
도 4는 결상 능력을 보여주는 주변 임계 반사 (peri-critical reflection) 분광 시스템의 일 도면이다.
도 5는 분광 동안에 도중 입사 각도를 변화시킴으로써 달성될 수 있는 다양한 효과를 도시하는 그래프이다.
도 6은 다중 반사가 달성되는 다른 주변 임계 반사 분광 시스템의 도면이다.
도 7은 주변 임계 반사 분광 시스템에서 각도를 변경하기 위한 기구를 도시한다.
도 8은 다양한 입사 각도를 통해 이동하는 45°프리즘을 도시한다.
도 9는 분광을 위한 완전한 샘플 시스템의 개략도를 도시한다.
도 10은 장치를 사용하는 방법을 도시하는 순서도이다.
도 11a는 동적 모듈식 및 스케일링가능한 시스템(dynamic modular and scalable system)이 달성될 수 있는 논리 장치의 대표적인 예를 도시하는 블록선도이며, 도 11b는 동적 데이터 분석 및 모델링이 달성되는 시스템에 사용하기에 적합한 시스템의 예시적 구성 요소의 협동을 도시하는 블록선도이다.

따라서, 본 발명은 스펙트럼 흡수 맵(spectral absorption map)에 부가하여 샘플의 임계 각도 맵을 발생시키는 장치 및 시스템의 생성에 관한 것이다. 본 발명은 세기 대 파장의 맵핑 뿐만 아니라 세기 대 파장 대 입사 각도 및/또는 세기 대 파장 대 입사 반사 각도의 맵핑을 제공함으로써 ATR 측정에 추가적인 차원(dimension)을 제공한다. 이러한 장치 및 시스템은, 하나 이상의 요소 또는 구성 요소가 소정의 생리학적, 작동적 또는 기능적 결과를 달성하기 위해 일체식으로 형성되어 구성 요소가 장치를 완성하도록 구성될 수 있다. 이는 하나 이상의 요소가 단일편으로서 일체로 형성되거나 또는 통일된 방식으로 작용하도록 형성됨으로써 달성될 수 있다. 주변 임계 각도 영역은 주변 임계 영역이다. 주변 임계 영역을 조사하는데 유용한 기술은 주변 임계 반사 분광법(PR)을 포함한다.

샘플은 세균전 병원체 검지, 포도당, 암세포 및 다른 의료 관련 조성물의 비침습성 경피적 검지, 바이오마커(biomarker), 새로운 약물 전달을 위한 약물 요소, 폭발물 및 다른 해로운 화학제의 검지, 전염병의 조기 검지, 음료수 내의 화학적 또는 생물학적 오염 흔적의 검지, 불법 약물 검지, 바이오디젤 및 바이오에탄올과 같은 바이오 연료를 포함하는 생성 동안의 산업 화학제품의 양 결정, 생물 반응기 내에서 일어나는 반응의 진행 결정, 시험관 내 포도당 및 크레아티닌(creatinine)과 같은 혈액의 조성 검지 및 결정을 포함하지만 제한되지 않는다. 맵은 각각의 파장을 위한 임계 각도 부근에서 높은 분해능을 형성할 수 있다. 대부분의 예들에서, 분해능은 적어도 1,000분의 1도 또는 그보다 더 좋다.

I. 장치 및 시스템

주변 임계 반사 분광 장치(peri-critical reflection spectroscopy apparatus) 또는 시스템은 위에서 기술된 것들과 같이 샘플 내로 도입될 수 있는 전자기 방사선 소스를 제공하도록 구성된다. 전자기 방사선은 예를 들어 샘플과 접촉하기 전에 간섭계에 의해 조절될 수 있다. 조절된 방사는 미러와 같은 반사 표면 상에 렌즈에 의해 초점이 또한 맞춰질 수 있고, 이후에 ATR 프리즘 내로 광을 반사한다. 또한, 몇몇의 경우에, 미러는 전자기 방사선이 목표 임계각을 포괄하는 각도의 범위를 통해 샘플에 도입되도록 조정될 수 있다. 다시 말하면, 전자기 방사선은 임계각보다 작은 각도로 도입되어 임계각보다 더 큰 각도까지 증가하면서 스위핑된다. 미러는 전자기 방사선이 샘플 내로 진입하는 각도를 변화시키도록 조정될 수 있다. 대안적으로, 전자기 방사선은 ATR 프리즘으로 바로 도입될 수 있다. 이어서, 전자기 방사선이 ATR 프리즘 내부에 있으면 샘플과 접촉하게 된다. 이어서, 전자기 방사선은 프리즘을 빠져나가고 검지기에 의해 검지되고 데이터 처리 시스템에 의해 처리된다. 데이터 처리 시스템은 장치 상에 있을 수 있거나 예를 들어 통신 네트워크 또는 상호연결 장치를 통해 장치와 통신할 수 있다.

시스템을 이용하여 얻어진 임계각 정보와 본 명세서에 기술된 장치들은 다른차원의 정보이며, 이는 현재 기존의 기술에 의해 얻어지지 않는다. 장치들은 전파광 필드(propagating light field)를 측정하도록 형성되고 구성된다. 이러한 측정으로부터 샘플의 완전한 맵이 결정될 수 있다. 그러므로, 완전한 맵(map)은 임계각에 근접하고 그 후 실제로 임계각을 다소 넘게 되는 각도에서의 입사 각도의 맵핑에 대한 반사된 광 강도 대 파장의 완전한 맵일 수 있다. 도 1에서 예시된 바와 같이 관통의 깊이가 임계각 부근의 입사 각도에 매우 민감하기 때문에, 몇천 분의 1도[소수의 마이크로라디언(a few microradians)]의 분해능이 필수적이다. 부가적으로, 장치 상에 있거나 장치와 통신하는 처리기가 임계각 데이터를 분석하도록 장치와 함께 사용될 수 있다.

샘플의 각도 맵이 예를 들어 샘플을 스캐닝함으로써 형성되면, 각각의 파장을 위한 임계각의 실제 각도가 결정될 수 있다. 일정한 유효 깊이에서의 각각의 파장의 스펙트럼이 구성될 수 있다.

도 2는 주변 임계 반사 분광 장치(100)의 예시도이다. 전자기 방사선을 위한 시스템에 전원을 제공하도록 그리고 전자기 방사선 소스(108)로부터 간섭계(116)로 광이 전달되도록 제거될 수 있고 형성될 수 있고 구성될 수 있는 전원(118)은 전자기 방사선 소스(108)로부터 반사의 임의의 적합한 기구 또는 반사의 수단에 의해서와 같이 두 개 이상의 광의 비임(109, 109')으로 수용된 광의 비임을 분리하고, 이후에 간섭을 생성하도록 함께 방사하게 한다. 적합한 전자기 방사선 소스는 예를 들어 두 개 이상의 양자 폭포 레이저들(quantum cascade lasers)을 이용하는 광학 헤드를 포함할 수 있다. 광은 동시적이거나 순차적일 수 있는 하나 이상의 소스로부터 이루어질 수 있다. 광원(118)은 (전원 코드의 경우에서와 같이) 제거될 수 있거나, 재충전될 수 있거나, 고정될 수 있다. 적합한 전원은 배터리를 포함하지만 제한적이지 않다. 또한, 파워는 주변 임계 반사 분광 시스템이 컴퓨터 또는 셀룰러 폰과 같은 것에 연결되는 보조 장치로부터 유래할 수 있다. 추가로, 마이크로제어기가 샘플로부터 얻어진 정보의 처리 및 분석을 용이하게 하기 위해서 장치에 제공될 수 있다. 대안적으로, 정보는 처리를 위한 2차 장치에 전송될 수 있다.

당업자에게 인식될 수 있는 바와 같이, 시스템은 적합하게 설계된 하우징(101) 내에서 포함될 수 있거나, 또는 부품들은 부품들이 하우징과 같이 기능하도록 상호연결되도록 구성될 수 있다.

렌즈(150)를 관통한 후에, 얻어지는 비임(110)은 미러(130)와 접촉하게 된다. 미러는 프리즘(140)을 통해 그리고 샘플(102)을 향하여 얻어진 비임(112)을 반사한다. 프리즘(140)은 전형적으로 프리즘의 면이 프리즘과 샘플 사이에서 인터페이스(103)에서 샘플(102)과 직접 접촉할 수 있도록 장치 또는 하우징에 대하여 구성된다. 샘플/프리즘 인터페이스(103)에서, 비임 또는 비임들은 샘플(102)과 상호작용할 수 있다. 따라서, 예를 들어, 임계각을 넘으면, 전파 비임이 전체적으로 반사되고 약한 정상파(weak standing wave)(124)가 샘플과 상호작용하여, 샘플/프리즘 인터페이스(103)를 넘는 작은 깊이로 들어간다. 임계각 이하이면, 비임 또는 비임들은 샘플 내로 전송될 수 있고 이어서 확산 반사를 통해 거꾸로 반사된다. 임계각 부근의 주변 임계 영역에서, 이들 효과들의 조합이 존재한다. 따라서, 샘플 내로 10배 파장 깊이의 측정을 허용하도록 샘플 내로 깊게 관통할 수 있는 훨씬 강한 정상파(124)가 존재한다.

반사된 2차 비임(114)은 반사된 2차 비임이 다중 소자 검지기(160)에 의해 수용되는 프리즘(140)을 다시 통과한다. 검지기(160)는 1/1000도 또는 그 이상의 해상도를 성취하기 위해 픽셀에 대한 입사 각도를 분해하는데 적용 및 구성될 수 있다. 검지기 픽셀은 각각, 약간 상이한 입사 각도에서 샘플과 상호작용하는 광을 수용할 것이다. 일부 픽셀은 임계 각도 위쪽의 광과 대면할 것이며, 일부 픽셀은 임계 각도 아래쪽의 광과 대면할 것이다. 하나의 픽셀은 임계 각도로부터 매우 작은 거리로 떨어져 있는 광을 수용할 것이며, 이러한 검지기는 샘플을 깊이 측정하는데 가장 유용할 것이다. 다른 픽셀은 샘플을 덜 깊이 관통하는 광과 대면할 것이며, 이러한 픽셀들은 덜 깊이 있는 덜 중요한 정보를 빼내는데 사용된다. 검지기는 초전기물질(pyroelectric)일 수 있다. 또한, 픽셀은 다중 소자 검지기 내에서 1/1000도 또는 그 이상의 해상도로 입사 각도를 분해한다. 분해된 픽셀은 이후 적절한 데이터 처리 장치 또는 칩(170)을 이용하여 분석되거나 또는 데이터는 (이하에서 보다 완전히 설명되는 바와 같이) 적절한 데이터 처리 성능을 갖는 컴퓨터 또는 이동전화와 같은 2차 장치와 통신될 수 있다. 분석은, 예를 들어 감지된 신호의 변화를 결정하기 위해 데이터의 라이브러리(library)에 대항하는 데이터를 공지된 샘플과 비교하는 것을 포함할 수 있다. 추가로, 시스템은 선택적으로, 예를 들어 입사 각도의 맵핑(mapping) 대 파장 대 반사된 광 강도의 전체 맵의 사용자에게 디스플레이를 제공하도록 적용되는 액정 디스플레이(LCD)와 같은 디스플레이트(190)를 포함할 수 있다.

당업자에게 인지되는 바와 같이, 시스템이 프린터 또는 네크워크에 정보를 송신할 수 있게 하는 연결성(connectivity)도 제공될 수 있다. 연결성은 예를 들어 인터넷 및 적절한 연결 포트를 통해 무선으로 적용될 수 있다.

주변 임계 반사 분광 장치(peri-critical reflection spectroscopy apparatus) 또는 시스템은 도 3에 도시된 바와 같이 구성될 수 있다. 종래의 구조에서는, 제거될 수 있는 전원(118)이 시스템에 전력을 공급하도록 적용 및 구성되었다. 도 3에서, 분광 장치(100)는, 전자기 방사선이 반사경(130), 예를 들어 1/1000도의 해상도를 갖는 경사/시프트 반사경을 사용하여 비임(110)에 의해 샘플(102)에 도입되도록 설치된다. 비임(110)은 공간 여과기(120)를 통과한 이후에 샘플(102)로 전달될 수 있다. 비임(110)이 여과기(120)를 통과하면, 통상적으로 1/1000도의 작은 비임 발산이 발생할 수 있다. 여과기(120)를 통과한 후에, 고도로 시준된 작은 발산 비임(122)은 샘플(102)에 대항하여 주변 임계 반사(PR) 크리스탈(140)를 통해 비임을 편향시키는 경사 시프트 반사경(130)과 접촉하게 된다. 적절한 샘플은 예를 들어, 1 내지 10mm의 직경만큼 작은 동일한 영역을 가질 수 있다. 비임이 반사경과 접촉된 이후에, 생성된 비임(112)은 반사된다. 생성된 비임(112')은 이후, 생성된 비임(114)을 렌즈(150)를 통해 작은 영역의 단일 소자 수은 카드뮴 텔루르(MCT) 검지기(160)로 보내는 2차 경사/시프트 반사경(130')과 접촉하도록 PR 크리스탈(140)를 후방으로 통과할 수 있다. 또한, 원한다면 디스플레이가 장치상에 제공될 수 있다. 반사경(130, 130')의 각도가 변함에 따라, 샘플/프리즘 인터페이스(103)에서의 광의 입사 각도가 변한다. 각도가 변함으로써, 임계 각도를 포함하는 각도의 범위가 획득되게 된다. 하나 또는 2개의 반사경이 경사짐에 따라, 상이한 입사 각도가 작은 영역 검지기(162)에 충돌하게 된다. 이러한 임계 각도 맵은 이후, 사용 중인 광의 특정 파장에서의 테스트에서, 특정 샘플에 대한 임계 각도와 일치하는 신호를 결정하는데 사용된다. 주변 임계 영역에서는, 강한 정상파(strong standing wave; 124)가 생성되어 샘플과 깊게 상호작용할 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이 구성된 주변 임계 반사(PR) 분광 기구는, 750nm 내지 100㎛의 하나 이상의 파장을 갖는 적외선(IR) 비임이 원하는 각해상도로 시준되게 하는 다양한 크기의 공간 여과기(120)를 포함할 수 있다. 생성된 시준 비임은 거의 평행한 광선을 갖는다. 시준의 결과로서, 1/1000도만큼 작은 비임 발산이 성취될 수 있다. 론치 반사경(launch mirror; 130, 130')은 이후, 반사경이 샘플상의 입사 각도를 변화시키기 위해 경사 및 시프트될 수 있도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 각도는 모든 파장에 대한 임계 각도를 넘을 수 있도록 변화될 수 있다. 이후, 렌즈(150)는 매우 작은 검지기 영역(162)에 공간 여과기를 이미징(image)하도록 구성될 수 있다. 적절한 영역은 1mm²보다 작은, 0.01mm²보다 작은, 보다 바람직하게는 0.001mm²보다 작은 영역을 포함한다. 작은 영역 검지기는, 중간 적외선 분광 범위에서의 실험 동안 통상적으로 두드러지는 검지기 소음에 의해 제한되는 시스템의 민감도를 향상시킬 수 있다.

장치 및 시스템은 또한 하나 또는 2개의 반사경(들) 및 프리즘이 샘플에 대해 이동하거나 또한 고정된 채로 유지되도록 적용 또는 구성될 수도 있다. 그러나, 고정된 위치를 유지하는 것이 보다 실질적인 구성일 수 있다. 이러한 경우에, 에너지의 덜 시준된 비임을 갖는 전자기 방사선 소스가 사용될 수 있다. 또한, 각도의 범위를 통해 비임을 스위핑(sweeping)하는 대신에, 각각의 검지기 픽셀 소자가 점진적으로 작아지는 (또는 커지는) 각도(이러한 각도는 관심 있는 모든 파장에서의 임계 각도를 포함)를 감지하는 방식으로 다수의 검지기(어레이)를 사용하여 각도 측정이 이루어질 수 있다. 이러한 검지기 어레이는 샘플 뒤로 전개될 수 있어서, 단지 검지기 소자의 선형 어레이가 될 필요가 있다. 종종, 관심 있는 모든 파장에서의 임계 각도가 어떠한 것인지를 사전에 아는 것이 불가능하기 때문에, 다수의 픽셀을 포함하는 검지기가 사용될 수 있다. 다르게, 전술된 바와 같이, 전체 임계 각도 공간은 맵핑이 필요할 때 총 임계 각도 공간의 다양한 세그먼트 또는 부분을 통해 비임을 스위핑함으로써 맵핑될 수 있다.

일부 예시에서, 검지기(160)는, 원한다면, 보다 양호한 민감도를 위해 냉각될 수 있다. 냉각은 적절한 냉각 장치, 냉각용 수단, 또는 냉각 재료를 사용하여 성취될 수 있다. 예를 들어, 액체 질소를 이용한 냉각은 일부 예시에서 검지기의 민감도를 향상시킬 수 있다. 냉각은 통상적으로 검지기 반도체 재료의 온도를 액체 질소의 온도로, 가장 바람직하게는 액체 헬륨의 온도로 감소시키는 것을 포함한다.

시스템에 의해 발생된 비임은 푸리어 변환 적외선(FTIR) 분광기의 출력 비임일 수도 있다. 그러나, 당업자에 의해서 이해될 수 있는 바와 같이, 단일 또는 일련의 양자 폭포(QC) 레이저로부터의 비임이 또한 이용될 수도 있다. 일부 예에서, 비임 형태 또는 소스의 선택은 장치 또는 시스템의 휴대성을 향상시킬 수 있다. 따라서, 예를 들면 체적이 1 세제곱 피트(0.028317 세제곱 미터)보다 작은 시스템은 용이하게 운반될 수 있고, 체적인 125 세제곱 인치(0.002048 세제곱 미터)보다 작은 시스템은 휴대될 수 있고, 체적인 8 세제곱 인치(0.000131 세제곱 미터)보다 작은 시스템은 시야로부터 숨겨지겨나 감춰질 수 있다. 사이즈의 이 확장성은 중요한 이점을 제공한다. 더욱이, QC 레이저는 이의 에너지가 아주 작은 개구로부터 방출되기 때문에 고도로 시준될 수 있다.

레이저 및 검지기는 장치가 입사 각도를 통해 스위핑함에 따라 추와 유사한 양 방향으로의 이동을 가능하게 하는 측각기의 아암 상에 있을 수 있다. 또한, 압전 운동 장치가 이용될 수 있다.

일 태양에서 2개의 상이한 레이저가 2개의 상이한 검지기와 함께 사용될 수 있다. 이러한 구성에서 양 레이저는 동시에 프리즘을 통해 진행하도록 구성될 수 있다. 작동 동안 레이저가 각도를 통해 스위핑함에 따라서 레이저는 각도 분리에 의해서 분리될 수 있다. 다르게는, 전자 장치는, 레이저가 동시에가 아니라 교번 패턴으로 발산하도록 2개의 레이저를 동작시키도록 설계될 수 있다.

다수-요소 검지기를 사용하는 대신에, 비임의 입사 각도가 수동으로 변화되어 연속적인 스캔이 행해질 수도 있다. 입력 및 출력 각도는 입사 각도의 전체 범위에서 스펙트럼 데이터의 완전한 맵을 얻기 위하여 함께 변경될 수도 있다.

전색 각도는 예상되는 임계 각도 위아래로 연장되어야 한다. 이는 임계 각도가 파장의 함수로 변하기 때문이다. 목표는 임계 각도에 대해 일정하고 공지된 정도의 근접도 또는 일정한 유효 깊이로서 스펙트럼을 재현하는 것이다. 이 방식으로, 임계 각도에 너무 근접해서 작동하는 것과 통상 관련된 스펙트럼 왜곡이 완전하게 회피된다. 이제 임계 각도에 아주 근접해서 작동하면서 왜곡되지 않은 스펙트럼을 수집할 수 있다. 이는 ATR 방법이, 종래의 방법을 사용하여 가능한 것보다, 드문 매체(시험 중인 샘플)로의 더 긴 경로 길이 및 더 깊은 관통을 갖는 것을 허용한다. 이는 비침습적인 생물학적 측정 및 낮은 수준의 생물학적 작용제(biological warfare agent)의 검지와 같은 많은 다른 측정에서 특히 중요할 것이다.

도 4를 참조하면, 이미이징 능력을 나타내는 주변-임계 반사 분광 시스템(100)의 예가 제공된다. 2개의 여과기(120, 120')를 통과한 후의 비임(110), 즉 비임(122)은 결과적인 비임(112)을 주변-임계 반사(PR) 결정(140)을 통해 샘플(102)로 편광시키는 제1 틸트 시프트 미러(130)와 접촉하게 된다. 그런 후 결과적인 비임(112')은 렌즈(150)를 통해 결과적인 비임(114)을 전달하는 제2 틸트/시프트 미러(130')와 접촉하도록 PR 결정(140)을 통과할 수 있다. 이 실시예에서, 결정(140)/샘플(102) 표면은 상술된 것과 같이 공간 여과기 대신에 어레이 MCT 검지기(160) 상으로 촬상된다. 이전 단일 요소 검지기는 필요에 따라 일 또는 이차원 검지기 어레이로 교체된다. 2차원 검지기 어레이는 일 차원의 파장, 2차원의 이미지 및 추가 일 차원의 입사 각도를 갖는 하이퍼스펙트럼 데이터를 수집하도록 조정 및 구성될 수 있다. 기술분야의 숙련자가 알 수 있는 바와 같이, 각각의 이들 차원은 수천개의 데이터 포인트를 갖는다. 이 시스템 및 기술의 자료 수집 능력의 깊이는 각각의 공간 위치에서 스펙트럼 정보를 갖는 샘플 체적의 3차원 공간 프로파일의 생성을 허용한다. 다수의 검지기는 검지기 요소의 수에 직접 비례하여 데이터 세트를 수집하는 데 걸리는 시간을 감소시키는 효과를 갖는다. 추가로 직경 1 내지 10㎜의 샘플(102) 영역이 사용될 수 있다. 앞선 실시예에서처럼, 전원(118)이 추가적인 디스플레이와 함께 제공될 수 있다.

도 5는 여기서 개시된 장치를 이용하여 분광 동안 입사 각도를 변경함으로써 달성가능한 다양한 효과를 나타내는 그래프이다. 광선은 높은 굴절율 또는 밀한 매체 내로 발사된다. 임계 각도 상당히 아래[아임계(sub-critical)]에서, 광은 결정/샘플 계면[예컨대, 도2의 계면(103)]에서 굴절되고 이어서 주로 진행파로서 샘플 자체 내로 전달된다. 만일 샘플이 흩어져 있으면 확산 반사(DR)가 결과이다. 임계 각도 상당히 위[초임계(super critical)]에서, 광은 전반사하고 약한 정상 또는 소멸파가 드문 매체(샘플)에 수립된다. 그 결과, 어떠한 광파도 샘플 내로 전파되지 않는다. 결과적인 샘플 스펙트럼의 특성은 감쇠 전반사(ATR)와 일치한다. 임계 각도의 바로 근방(주변-임계)에서, 관통 깊이는 각도에 아주 민감해진다. 결정/샘플 계면에서, 3가지 일이 발생한다; 광이 네거티브 임계 각도로 반사하고, 강한 소멸파가 샘플에서 수립되고, 그리고 진행파가 크리스탈 샘플 경계 평면에 평행한 방향으로 전파한다. 이 효과는 주변-임계 반사(PR) 분광에 유용하다. 밀리도까지 각도를 정확하게 분해함으로써, 주어진 샘플 및 결정에 존재하는 모든 각도 및 굴절율에 대하여 주변-임계 구역을 맵핑하는 것이 가능하다. 반사된 PR 비임은 ATR에 의해 가능한 것보다 샘플에 대한 그리고 샘플 내로 더 깊은 깊이로부터 강한 정보를 포함한다.

도 6을 참조하면, 다중 반사가 달성될 수 있는 다른 주변-임계 반사 분광 시스템(100)의 예가 제공된다. 전자기 방사선 소스으로부터의 비임(110)은 네거티브 렌즈(152)를 통과하여 제1 미러(132)에 이른다. 비임(110)은 제1 미러(132)로부터 편향되어, 결과적인 비임(112)을 형성한다. 그런 후 결과적인 비임(112)은 제2 미러(134)에 도달하여, 주변-임계 반사 크리스탈 또는 프리즘(140)과 접촉하게 되는 제2 결과적인 비임(114)을 형성한다. 제2 결과적인 비임은 PR 결정을 통과하고 그런 후 이로부터 네거티브 렌즈(154)를 통과한다. 임계 각도에서 또는 그 근방 모두에서 다중 반사가 달성된다. 플랫폼을 회전 또는 이동시키는 정밀 드라이브(도시 생략) 또는 임의의 적절한 수단 또는 플랫폼을 이동 또는 회전시키는 기구는 플랫폼이 회전 또는 이동하게 한다. 플랫폼은 제1 미러(132), 제2 미러(134) 및 PR 결정(140)을 지닌다. 예를 들면 드라이브는 플랫폼이 결정(140)의 출구면(146)에 또는 근처에 위치된 피봇 포인트(144)를 중심으로 선회하는 것을 가능하게 한다. 네거티브 렌즈(152, 154)는 계기가 샘플 격실의 중심 근처에 집속 비임을 갖는 많은 FTIR 분광계의 샘플 격실 내에서 이용되는 것을 허용한다. 적절한 FTIR 장치의 예가 임의의 써모 니콜렛 FTIR(Thermo Nicolet FTIR)(매사추세츠주 월섬 소재의 Thermo Fisher Scientific)일 수도 있다. 네거티브 렌즈는 비임을 시준하여, 결과적인 시준 비임의 각도 해상도를 허용한다. 비임 확산은 분광계 내부에서, 통상 소스 근방에서 제이-스톱(J-stop)(자키노 스톱 또는 시야 조리개)에 의해서 더욱 제한될 수 있다. 전자기 또는 IR 비임의 비임 확산은 소스 또는 광학적 개구로부터의 거리에 걸쳐서 비임 직경의 증가의 각도 측정에 의해 결정된다.

도 7에 도시된 바와 같이, 주변 임계 분광 시스템의 각도를 변경하는 메카니즘이 달성될 수 있다. 셀렌화 아연(ZnSe)과 같은 높은 인덱스 크리스탈로 형성된 45도 프리즘(145)이 사용될 수 있다. 제1 비임(110)이 크리스탈의 저면(145')으로 들어가고 제2 비임(110')이 제1 비임(110)과 평행 또는 실질적으로 평행하게 크리스탈의 저면(145')을 나가도록, 비임은 프리즘(145)의 저면(145') 내외로 보내진다. 비임의 내부 반사는 점선으로 도시되는 경로를 따라 프리즘의 두 측면에서 발생한다. 따라서, 진입하는 제1 비임(110)은 크리스탈의 저면(145')으로 수직으로 들어가고, 90도의 각도에서 편향되는 프리즘의 측면과 부딪힌다. 이후 편향된 비임은 90도의 각도에서 두번 편향되는 프리즘의 제2 측면과 부딪힌다. 이후, 유입하는 제1 비임(110) 및 유출하는 제2 비임(110')이 실질적으로 평행하도록, 제2 편향 비임(110')은 크리스탈의 저면(145')을 통해 수직으로 나간다. 프리즘은 피벗 지점(144)에 대해 틸팅될 수 있다. 피벗 지점(144) 주위에서의 프리즘(145)의 틸팅으로, 하나의 측면에서의 입사 각도는 증가하는 반면, 다른 측면에서의 입사 각도는 감소한다. 시험하에서 샘플은 프리즘의 하나의 측면 또는 다른 측면에 인접하거나 부착될 수 있다. 입력 및 출력 비임은 프리즘이 틸팅할 때 서로에 대해 평행한 상태이다. 비임의 평행 상태를 유지하는 크리스탈의 틸팅성은 각도가 변하는 곳에서의 재정렬의 필요성를 최소화한다.

이제 도 8을 참조하면, 5개의 입사 각도 샘플 각각(A 내지 E)을 통해 이동하는 45도 프리즘이 상부 라인에 도시된다. 프리즘은 하부 라인에 도시된 바와 같이 그리고 상술한 바와 같이 평행 비임을 유지한다. 따라서, PR 분광법에서 10도 이상의 각도 범위가 사용될 수 있다.

해당 기술 분야의 숙련자가 알 수 있는 바와 같이, 본 명세서에 따르는 장치는 다양한 형상 인자(form factor) 및 형상을 가질 수 있다. 몇몇 실시예에서, 5㎤ 미만의 부피를 갖는 형상 인자와 같은 작은 형상 인자가 바람직하고, 더 바람직하게는 4㎤ 미만의 부피, 또는 더욱 바람직하게는 3㎤ 미만의 부피, 또는 단위 ㎝의 약 1/10의 치수의 5㎤ 미만의 임의의 값이 바람직할 수 있다.

Ⅱ. 방법

도 9는 분광법에 대한 완벽한 샘플링 시스템의 개략도를 도시한다. 샘플링 시스템은 앞에서 설명한 45도 프리즘을 채용한다. 이러한 구성에서, 피벗 지점은 크리스탈의 틸팅 동안 입력 및 출력 비임이 정상 상태를 유지하도록 하는 곳이다. 해당 기술 분야의 숙련자가 알 수 있는 바와 같이, 크리스탈은 긴 측면 및 짧은 측면을 갖도록 도시된다. FTIR 분광기로부터 조준된 비임(109)은 소스로부터 반사면으로 적용된다. 이후 그 결과로서의 비임(110)은 공간 여과기(120)를 통해 이동하여 조준 미러(132)와 접촉하게 된다. 그 결과로서의 비임(112)은 미러(130')를 향해 반사되고, 이후 미러(130')는 피벗 지점(144) 주위에서 피벗하는 틸팅 프리즘(140)을 통해 비임을 전송한다. 비임이 샘플까지 틸팅 프리즘을 통과하는 경우, 복귀 비임은 제2 미러(130)에 의해 픽업되고 그에 따른 비임(112')은, 이후 집광된 비임(112'')을 검지기(162)로 전송하는 검지기 집광 렌즈(150)로 전송된다.

도 10에 도시된 바와 같이, 본 명세서에 따르는 방법의 기본 스텝은 샘플을 식별하는 단계(310)를 포함한다. 적정 크리스탈을 통해 전자기 방사선을 통과시킨다(320). 이후, 전자기 방사선을 샘플로 도입시킨다(330). 전자기 방사선의 성분은 샘플의 성질에 따라 샘플의 일부로 지나가고 그리고/또는 샘플의 일부를 통과할 수 있다. 샘플과의 상호 작용 이후, 전자기 방사선 비임은 샘플로부터 장치로 뒤로 전송된다(340). 뒤로 전송되는 정보로부터, 샘플의 크리스탈 각도 맵이 생성될 수 있다(350). 이러한 하나 이상의 스텝들은 바람직하게는 반복될 수 있다.

전형적으로, 장치는 전자기 필드가 아닌 광을 전파하는 필드를 측정하는 것이다. 예를 들어, 샘플이 조직일 때, 조직이 존재하지 않는 경우 신호의 100%가 다시 수신될 수 있다. 결과로 인한 신호에서의 차이를 분석하여 샘플의 특성을 판정한다. 상술한 바와 같이, 각도 전반에 걸쳐 진행하는 것은 온도 및 농도와 같은 다양한 파라미터에 의해 영향받을 수 있는 임계 각도의 위치를 식별하는 것을 조력하기 때문에, 이러한 방법은 각도 전반에 걸쳐 스테핑(stepping)하는 것을 포함한다. 이것은 임계 각도의 맵이 발견되어 생성되는 것을 가능하게 한다.

본 명세서의 다른 양태에서, ATR 분광법 장치는 고정된 입사 각도 또는 주변 임계 반사를 검지하기 위해 변할 수 있는 각도 중 하나를 사용하도록 형성될 수 있다. 입사 각도는 임계 각도를 향해 감소되기 때문에, 샘플로의 소멸파의 침입 깊이는 증가한다. 이러한 점은 깊이 프로파일링 분광법을 샘플에 실행하는 것을 가능하게 한다. 스펙트럼 데이터는 각도의 범위에서 수집된다. 더 깊은 깊이 스펙트럼에서 더 얕은 깊이 스펙트럼을 빼는 것에 의해, 더 깊은 층의 스펙트럼이 획득될 수 있다. 이러한 특성은 다층 폴리머 필름의 연구에 매우 유용하다. 입사 각도를 변화시키는 두번째 이유는 샘플의 광학 상수 n 및 k를 측정하기 위해서이다. 다양한 각도에서 수집된 한 세트의 스펙트럼은, 적용될 때 모든 파장에 대한 n 및 k가 예측되는 크라머스-크로니히 변환(Kramers-Kronig transform)에 대한 기준점을 찾는데 사용될 수 있다. 그러나 분광법에서의 일반적인 문제점은 재료의 정량분석에 관한 것이다. 샘플 내의 물질의 정량분석은, 물질의 농도가 변하는 샘플의 범위를 측정하고, 이후 물질(들)의 농도(들)와 스펙트럼의 세트 사이의 관계를 설명하는 다변수 모델를 형성하는 것에 의해 자주 달성된다. 스펙트럼 또는 물질 및 샘플의 다른 물성을 사용하는 화학 시스템의 이러한 모델을 형성하는 프로세스는 케모메트릭스(chemometrics)라고 칭한다. 극복되어야 할 문제는, 케모메트릭 모델은 물질 농도의 완벽한 실제 묘사를 제공하지 못한다는 것이다. 종종 SEP로 표현되는 에러 텀(error term) 또는 예측의 표준 에러는 항상 존재한다. 문제는 이러한 에러 텀이 때때로 너무 크고, 모델의 실제 적용은 샘플 내의 물질 또는 물질들의 농도를 정확히 예측하는 것을 방해한다는 것이다. 가장 요구되는 것은 ATR 측정에 범위를 추가하는 것, 즉 파장에 대한 강도뿐만 아니라 반사 및/또는 입사 각도에 대한 파장에 대한 강도의 맵핑의 범위를 추가하는 것이다. 이러한 방식으로 모델의 정확성이 개선될 수 있다.

가변 각도 ATR 측정은 각도에 매우 민감하고, 많은 분광기의 비임은 큰 범위의 각도를 포함한다. 예컨대, 전형적인 FT-IR 분광기의 샘플 컴파트먼트 비임은 플러스 또는 마이너스 5도의 비임 발산을 갖는다. 가변 각도 ATR 측정의 경우에 있어서, 단지 밀리도(0.001도)의 각도 차이가 소멸파의 커플링과 그러써 측정된 침투 깊이에 있어서 상당한 차이를 만들어 낸다. 이는 극복할 필요가 있는 문제이다. 분광기 비임을 의사 시준하는 것이 가능하지만, 그렇게 함에 있어서, 비임 직경은 상당히 커지고, 이는 콤팩트 기구를 형성하는 것에 부합되지 않는다. 또한, 의사 시준된 비임은 여전히 너무 큰 비임 발산을 갖는다. 필요한 것은 더욱 밝고 작은 광원이며, 광은 더욱 작은 직경의 번들 안으로 효과적으로 시준될 수 있어야 하지만, 여전히 높은 신호 잡음비로 분광 측정하기 위해 충분한 에너지를 포함해야 한다. 양자 폭포(QC) 레이저는 매우 작고 밝은 광원이다. 전형적인 QC 레이저의 사출 애퍼쳐(exit aperture)는 수 마이크론 정도이고, 따라서 비축 포물 거울(off-axis parabolic mirror) 또는 비구면 렌즈를 사용하여 발산이 거의 없이 번들 내로 시준될 수 있다. 이들 QC 레이저는 이미 입수 가능하고, 가변 각도 ATR 시스템과 결합될 수 있다. 이러한 방식으로, 고도의 각도 및 깊이 분해능이 전통적인 적외선 광원에 의해 가능한 것보다 높은 휘도로 얻어진다. SNR을 훨씬 더 향상시키기 위해, 다른 종류의 검지기가 필요하다. FT-IR 분광기의 높은 변조 주파수로 인해, 검지기로서 볼로미터와 열전퇴(thermopile)와 같은 매우 민감한 상온 검지기를 사용하는 것은 불가능하였다. 대신, 트리글리신 설페이트(triglycine sulfate) 검지기와 그 유도체가 사용되었다. 그러나 열전퇴 검지기는 100배 이상 민감해질 수 있다. 이것은 극복할 필요가 있는 문제이다. 스펙트럼 분해 광원(spectrally resolved light source)으로서 QC 레이저는 빠르게 변조될 필요가 없고, 따라서 열전퇴 검지기를 사용하여 가변 각도 ATR 분광법을 수행하는데 우수하다. QC 레이저는 좁은 스펙트럼 범위를 갖는다. 외부 공동 튜닝(external cavity tuning)은 QC 레이저를 작은 주파수 범위에 걸쳐 수백 파수의 차수로 튜닝하는데 사용된다. 그러나 이러한 튜닝 범위는 가장 수축된 위상 분광 응용분야(most condensed phase spectroscopic applications)에 대해서는 불충분하다. 이러한 문제는, 이산 광원(discrete light source)으로서 순차적으로 사용될 수 있거나 또는 조작의 넓은 파장 범위를 갖는 고도로 시준된 코히런트 광비임을 얻기 위해 비임 컴바이너 다이크로익 광학과 결합될 수 있는, 일련의 QC 레이저를 사용함으로써 극복될 수 있다. 후자의 경우에 있어서, 각각의 QC 레이저는 열전퇴 검지기의 주파수 대역 내에 여전히 남아 있는 동안 상이한 주파수에서 변조될 수 있다. 개별 광원으로부터 세기 정보가 푸리에 변환 공간의 신호를 해석함으로써 용이하게 회복된다. 이러한 방식으로, 다중 통신의 장점을 얻을 수 있고, 측정의 SNR을 더욱 향상시킨다.

또한, ATR 분광법은 작은 샘플 또는 큰 샘플의 작은 영역의 적외 스펙트럼을 얻기 위해 현미경 광학과 함께 사용된다. 또한, 샘플 평면으로 이미저 처리된 초점면 검지기를 부가함으로써, 이차원 이미지 처리를 나타낸다. 그러나 종종 샘플 내부로의 깊이인 제3 공간 차원을 이미지 처리할 필요가 있다. 이 방향으로의 노력은, 현미경 대물 렌즈를 통해 이미징 처리될 때 고리 형상 마스크를 샘플의 푸리에 평면에 배치함으로써 달성된다. 고리의 직경을 변경함으로써, 입사 각도가 변한다. 그러나 이러한 해법은, 이전에 언급한 바와 같이 종종 밀리도 수준으로 분해되는 것이 필요한, 각도 분해능의 부족에 의해 방해받는다. 이러한 문제의 해법은 ATR 모드로 주행하는 비임에 대해 샘플 평면의 연속적이고 정밀한 가변 각도 조정을 사용하는 것이다. 이러한 메커니즘은 현미경 대물 렌즈에 대한 필요성을 완전히 제거한다. 초점면 검지기는 낮은 배율로 샘플 평면으로 이미지 처리되고, 비임의 샘플의 위치를 결정하고 조정하는데 사용될 수 있는 실시간 이미지가 형성된다. 그 후, 입사 각도는 샘플의 깊이 변동에 대한 정보를 얻기 위해 변경된다. 깊이 변동이 없는 경우에, 깊이 정보는 샘플의 2차원 화학적 맵의 정량적 정확성을 향상시키기 위해 사용될 수 있다. 이 경우, 깊이 차원은 이미지 처리되지 않고, 오히려 측방향 공간적 분해능을 향상시키는데 사용된다.

ATR 분광법을 수행함에 있어서 한가지 중대한 어려움은, 측정 기술이 역사적으로 매우 표면에 민감하고, 따라서 ATR 프리즘과 샘플 사이에서 얻어지는 접촉 정도에 매우 민감하다는 것이다. 이상적으로, 프리즘과 샘플 사이에 광학 접촉이 얻어져야 하지만, 이는 단단하고 평평하지 않을 수도 있는 현실의 샘플에 의해 어렵다. ATR 기구는 전형적으로 프리즘에 대해 샘플을 가압하기 위한 압력 발생 기구를 포함한다. 이는, 프리즘이 부서질 위험이 있기 때문에 바람직하지 않다. 또한, 압력은 샘플의 스펙트럼 밴드 위치를 변경할 수 있다. 따라서, 이는 치유될 필요가 있는 문제이다. 임계각에 근접한 작업에 의해, 소멸파는 샘플 내로 더욱 깊이 침투하여, 그 기술의 표면 민감도를 감소시킨다. 현재, 샘플은 프리즘과 광학 접촉 상태로 있을 필요가 없다. 사실, 샘플이 프리즘의 수 파장 내에 있는 한, 비접촉 모드로 ATR을 수행하는 것이 현재 가능하다. 고품질의 ATR 스펙트럼을 얻기 위해 샘플에 압력을 인가할 필요가 거의 없다. 깊은 침투 깊이를 생성하기 위해, 고도의 각도 제어가 임계각 근처에서의 조작을 위해 필요하다.

ATR 분광법에 있어서 임계각 근방의 조작의 한 문제는 스펙트럼 왜곡의 문제이다. 큰 비임 발산을 갖는 전통적인 ATR 분광법에서, 비임의 일부가 임계각 미만이고 반면에 다른 부분은 초과한다는 사실에서 스펙트럼 왜곡이 발생한다. 또한, 샘플과 프리즘의 굴절률이 파장에 따라 변하여, 다시 왜곡을 초래한다. 이들 왜곡은 해결될 필요가 있는 문제이다. 본 명세서에서 제안된 해법은 각 파장을 개별적으로 해석하는 것이다. 각 파장에 대해, 샘플과 프리즘 양자에 대해 명확하게 규정된 굴절률이 존재한다. 따라서, 각 파장에서 잘 규정된 임계각이 있다. 이 임계각은 스펙트럼의 각 파장에 대해 상이할 수 있다. 이 문제에 대한 해법은 스펙트럼의 각 파장에 대한 각도 대 흡광도의 도면을 평가하는 것이다. 이 도면으로부터 임계각의 위치를 위치 설정하는 것이 가능하다. 그 후, 이 임계각으로부터 보다 높은 각도측으로 작은 각도 거리를 이동시키는 것은 간단한 문제이다. 각 파장에 대해 이러한 프로세스를 반복함으로써, 이전에 가능한 것보다 더욱 깊은 침투 깊이로 얻어지는 실제 흡광 스펙트럼을 나타내어 작도할 수 있는 데이터 어레이를 얻는다. 또한, 더욱 깊은 깊이 스펙트럼을 자동 생성하기 위해 알고리즘을 적용하는 것이 가능하다. 단일 스펙트럼을 갖는 샘플에 매립층이 있는 경우에, 일정하고 증가하는 깊이에서의 데이터 수집은 흥미로운 현상을 나타낸다.

샘플의 깊이 치수에서 일정한 농도로 존재하는 흡수 밴드를 갖는 물질에 대해, 각도 및 깊이의 함수로서의 흡수 강도는 고도로 정연하고 선형적일 것이다. 즉, 밴드는 베르의 법칙을 따르기 때문에, 투과 깊이가 두 배일 때, 흡수 강도도 두 배일 것이다. 그러나, 더 깊은 깊이에서만 존재하거나 더 깊은 깊이에서 상이한 농도로 존재하는 물질은 레르의 법칙에 대하여 비선형적일 것이다. Classical Least Squares(CLS) 또는 Multivariate Curve Resolution(MCR)과 같은 선형적인 모델링 기법이 이러한 데이터 하이퍼큐브에 적용되는 경우, 알고리즘은 선형적인 특성은 모델링할 수 있지만 비선형적인 특성은 모델링할 수 없을 것이다. 비선형적인 특성은 분광 잔여 매트릭스로도 알려진 에러 매트릭스로 이동될 것이다. 이는 선형적인 모델의 적용이 비선형적인 특성을 확인하는 것이 가능한 결과를 가져왔다는 점에서 중요하며, 이것은 이 경우에 우리가 목표로 한 것이다. 매몰된 물질에 대한 분광 정보는 분광 잔여물에 존재한다. 이와 같은 상황의 좋은 예는 혈액 성분, 예컨대 포도당의 경피적 측정이다. 외측 피부는 건조하기 때문에, 미미한 파가 피부로 들어가고 각도가 임계 각도 쪽으로 이동될 때, 처음에는 포도당 또는 다른 유체에 기초한 분광 정보는 없다. 피부 물질에 관한 다른 분광 정보는 선형 회귀 기법에 의해 적절히 모델링된다. 혈액 성분에 관한 정보는 베르의 법칙에 대해 고도로 비선형적일 것이고, 따라서 혈액 성분으로부터의 분광 정보는 분광 잔여물에 남을 것이다. 이로부터, 선형 회귀를 이용하여 양적인 모델을 세우는 것이 허용 및 이용될 수 있다.

일 양태에서, 본 발명은 혈당치의 비침투적 측정을 위한 분광 장치를 제공한다. 장치는 본원에 기재된 장치 및 방법을 이용하여 포도당을 측정한다. 일 실시예에서, 대상자의 피부는 전달 크리스탈을 통해 전자기 방사선 비임에 의해 방사된다. 비임이 역으로 밖으로 크리스탈을 통해 반사된다. 복귀 비임은 사용자의 혈당치를 나타내는 정보를 가지고 있다. 복귀 비임은 예컨대 반사광 강도 대 파장 대 입사 각도의 맵핑의 풀 맵을 제공하도록 적절한 처리기를 이용하여 분석될 수 있다. 이 정보는 또한 환자 또는 데이터베이스로부터의 다른 생물학적인 파라미터 정보와 관련될 수 있다. 부가적으로, 맵은 LCD에 표시될 수 있고 그리고/또는 네트워크에 전달될 수 있다. 어떤 실시예에서, 분광 장치는 휴대용, 예컨대 핸드헬드 장치이다. 어떤 실시예에서, 분광 장치는 핸드헬드 장치이다. 어떤 실시예에서, 기능은 휴대폰과 같은 핸드헬드 장치에 통합된다. 분광 검지기는 Apple iPhone?, Palm Pre?, Blackberry? 등과 같은 스마트폰에 내장될 수 있다. 전형적인 핸드헬드 휴대폰도 사용될 수 있다. 어떤 실시예에서, 측정용 분광 장치에 의해 측정이 되고 무선 통신, 예컨대 이동 통신, BlueTooth? 또는 WiFi를 이용하여 다른 장치, 예컨대 컴퓨터, 서버 등으로 보내진다. 어떤 실시예에서, 측정용 분광 장치는 하드 커넥션(hard connection)에 의해, 예컨대 근거리 통신망(LAN), USB 케이블 또는 직접 연결을 통해 다른 장치(컴퓨터, 휴대폰 등)에 연결된다. 측정용 장치는 또한 장치 디스플레이, 예컨대 LCD 스크린을 통해 측정 정보를 스스로 표시할 수 있다.

Ⅲ. PR 분광 장치 및 통신 네트워크

당업자가 인식하는 바와 같이, 컨트롤러 및 하나 초과의 분광 장치로 구성되는 위에서 설명한 분광 장치 중 하나 이상을 채용하는 모듈식이고 확장가능한 시스템이 제공될 수 있다. 컨트롤러는 통신 매체를 통해 각각의 분광 장치와 통신한다. 통신 매체는 유선식 포인트-투-포인트 또는 멀티-드롭 구성일 수 있다. 유선 통신 매체의 예는 Ethernet, USB 및 RS-232를 포함한다. 대안적으로, 통신 매체는 라디오 주파수(RF) 및 광학식을 포함하는 무선식일 수 있다. 분광 장치는 유체 처리 장치를 위한 하나 이상의 슬롯을 구비할 수 있다. 네트워크화된 장치는 어떤 상황에서 특히 유용할 수 있다. 예컨대, 의료인(예컨대, 의사)에게 혈당 모니터링 결과를 제공하는 네트워크화된 장치는 당뇨병 환자의 식이, 약물 및 인슐린 요법의 준수의 배경 분석을 용이하게 할 수 있고, 이는 다시 결과가 임상적으로 바람직하지 않은 방향으로 향하기 시작할 때 의료인에 의한 조기 개입을 유도할 수 있다. 부가적으로, 샘플 측정에 대응하는 자동 메시지가 혈당 레벨을 모니터링하는 환자 및/또는 의료 제공자에게 발생될 수 있다. 어떤 경우, 행동을 장려(예컨대, 환자가 궤도에 있다고 나타내는 문자 메시지 또는 이메일)하거나 행동을 금지(예컨대, 혈당이 올라가는 추세에 있다고 나타내는 문자 메시지 또는 이메일)시키는 자동 메시지가 시스템에 의해 발생될 수 있다. 다른 자동화된 메세지는 혈당을 관리하기 위한 조언 또는 팁을 제공하는 이메일 또는 문자 메시지일 수 있다. 따라서, 네트워크화된 통신 시스템은 의료인에게 최소한의 부담을 주면서 적은 비용으로 달성될 수 있는 배경 건강 모니터링 및 조기 개입을 가능하게 한다.

통신 네트워크의 복수의 분광 장치의 네트워크화된 구성을 더 알아보면, 도 11a는 상술한 분광 장치와의 통신 및/또는 분광 장치의 제어를 위해 브라우저가 접근할 수 있는 대표적인 예시적인 논리 장치를 나타내는 블록도이다. 매체(414) 및/또는 네트워크 포트(406)로부터의 지시를 판독하도록 적용되고 구성된 논리 장치로 이해할 수 있는 컴퓨터 시스템(또는 디지털 장치)(400)이 서버(410)에 연결가능하고 고정된 매체(416)를 구비한다. 컴퓨터 시스템(400)은 또한 인터넷 또는 인트라넷에 연결될 수 있다. 시스템은 중앙 처리 유닛(CPU)(402), 디스크 드라이브(404), 키보드(418) 및/또는 마우스(420)로서 도시된 선택적인 입력 장치 및 선택적인 모니터(408)를 포함한다. 데이터 통신은 예컨대 통신 매체(409)를 통해 근거리 또는 원거리 위치에 있는 서버(410)에 도달할 수 있다. 통신 매체(409)는 데이터를 송신 및/또는 수신하기 위한 어떤 적절한 수단을 포함할 수 있다. 예컨대, 통신 매체는 네트워크 연결, 무선 연결 또는 인터넷 연결일 수 있다. 하나 이상의 분광 장치(실례를 위해 460으로 합쳐서 도시됨)의 사용, 작동 또는 기능에 관련되는 데이터는 이러한 네트워크 또는 연결에 의해 송신될 수 있는 것으로 생각된다. 컴퓨터 시스템은 사용자(사용자는 시스템에 의해 발생된 정보에 접근권한을 갖는 의료인, 의사, 임상병리사, 간호사, 임상 간호사, 환자, 및 임의의 다른 사람 또는 전체를 포함함) 및/또는 사용자에 의해 사용되는 장치와 통신하도록 적용될 수 있다. 컴퓨터 시스템은 인터넷을 통해 다른 컴퓨터와 또는 서버를 통해 컴퓨터와 통신하도록 적용될 수 있다. 또한, 시스템은 네트워크와 연관되는 하나 이상의 장치(예컨대, 진단 장치 및/또는 분광 장치)를 활성화시키고 장치 및/또는 시스템에 의해 실행된 시험의 결과 및/또는 상태를 전달하도록 구성될 수 있다.

당업자가 잘 아는 바와 같이, 인터넷은 컴퓨터 네트워크의 전 세계적인 네트워크이다. 오늘날, 인터넷은 수백만 사용자에게 유용한 공공의 그리고 자립형 네트워크이다. 인터넷은 연결 호스트에 TCP/IP(즉, 전송 제어 프로토콜/인터넷 프로토콜)라고 불리는 일련의 통신 프로토콜을 사용한다. 인터넷은 인터넷 백본으로 알려진 통신 기반시설을 갖는다. 인터넷 백본에 대한 액세스는 회사 및 개인에 대한 액세스를 전매하는 인터넷 서비스 공급자(ISPs)에 의해 크게 제어된다.

인터넷 프로토콜(IP)은 하나의 디바이스(예컨대, 폰, 개인 휴대 정보 단말기(PDA), 컴퓨터 등)로부터 네트워크 상에서 다른 디바이스로 데이터가 전송되는 것을 가능하게 한다. 오늘날에는 예컨대 IPv4, IPv6 등을 포함하는 다양한 버젼의 IP가 있다. 다른 IP들도 사용될 수 있으며, 장래에 계속해서 사용될 것이고, 어떤 것은 본 발명의 범주로부터 벗어나지 않고 하나 이상의 분광학 디바이스에 채용되거나 통신하도록 채택 및 구성된 통신 네트워크 내에서 사용될 수 있다. 네트워크 상의 각 호스트 디바이스는 각자의 고유 식별자인 적어도 하나의 IP 주소를 갖고, 비접속 프로토콜로서 작동한다. 통신 사이의 종점 사이의 접속은 연속적이지 않다. 사용자가 데이터 또는 메시지를 송수신할 때, 데이터 또는 메시지는 패킷으로 알려진 부품 내에 분할된다. 모든 패킷은 데이트의 독립 유닛으로서 취급되고 최종 목적지로 전송되지만, 동일 경로를 통할 필요는 없다.

개방형 시스템간 상호접속(OSI) 모델은 인터넷 또는 다른 네트워크 상에 포인트 사이의 전송을 표준화하도록 설정된다. OSI 모델은 2개의 포인트 사이의 통신 프로세스를 7개의 적층된 계층으로 분리하는데, 각 계층은 각자의 일련의 함수를 추가한다. 각 디바이스는 송신 종점에서 각 계층을 통한 하향 흐름이 되고 수신 종점에서 계층을 통한 상향 흐름이 되도록 메시지를 취급한다. 7개 계층의 함수를 제공하는 프로그래밍 및/또는 하드웨어는 전형적으로 디바이스 작동 시스템, 어플리케이션 소프트웨어, TCP/IP 및/또는 다른 전송 및 네트워크 프로토콜, 그리고 다른 소프트웨어 및 하드웨어의 조합이다.

전형적으로, 상부 4개의 계층은 메시지가 사용자로부터 또는 사용자에게 보내질 때 사용되고, 하부 3개의 계층은 메시지가 디바이스(예컨대, IP 호스트 디바이스)를 통해 보내질 때 사용된다. IP 호스트는 서버, 라우터 또는 워크스테이션과 같은 송수신 IP 패킷일 수 있다. 일부 다른 호스트용으로 지정된 메시지는 상부 계층에 보내지지 않고 다른 호스트로 전달된다. OSI 모델의 계층이 아래에 열거된다. 계층(7)(즉, 어플리케이션 계층)는, 예컨대 통신 상대가 확인되고, 서비스의 질이 확인되고, 사용자 권한 및 프라이버시가 고려되고, 데이터 구문 상의 통제가 확인되는 등의 계층이다. 계층(6)(즉, 프리젠테이션 계층)는, 예컨대 하나의 프리젠테이션 포맷으로부터의 인커밍 및 아웃고잉 데이터를 다른 것으로 변환하는 등의 계층이다. 계층(5)(즉, 세션 계층)는, 예컨대 어플리케이션 사이의 이야기, 교환 및 대화를 셋업, 편성 및 종료하는 등의 계층이다. 계층(4)(즉, 전송 계층)는, 예컨대 엔드 투 엔드(end-to-end) 제어 및 에러 체크를 관리하는 등의 계층이다. 계층(3)(즉, 네트워크 계층)는, 예컨대 루팅 및 포워딩을 취급하는 등의 계층이다. 계층(2)(즉, 데이터 링크 계층)는, 예컨대 물리적 레벨에 대한 동기화를 제공하고, 비트 스터핑을 하고, 전송 프로토콜 지식 및 관리를 제공하는 등의 계층이다. 미국 전기 전자 학회(IEEE)는 데이터 링크 계층을 2개의 추가적인 서브 계층, 물리적 계층으로 그리고 물리적 계층으로부터의 데이터 전송을 제어하는 MAC(매체 접근 제어) 계층, 및 네트워크 계층과 접속하고 지령을 해석하고 에러 복구를 실행하는 LLC(논리적 연결 제어) 계층으로 서브 분할한다. 계층(1)(즉, 물리적 계층)는, 물리적 레벨에서 네트워크를 통해 비트 스트림을 전송하는 계층이다. IEEE는 물리적 계층을 PLCP(물리적 계층 컨버젼스 프로시져) 서브 계층과, PMD(물리적 매체 의존형) 서브 계층으로 서브 분할한다.

무선 네트워크는, 예컨대 셀룰러 및 무선 전화기, PC(퍼스널 컴퓨터), 랩탑 컴퓨터, 착용식 컴퓨터, 무선 전화기, 무선호출기, 헤드셋, 프린터, PDA 등과 같은 다양한 형태의 모바일 디바이스에 결합하고, 하나 이상의 분광학 디바이스를 포함하는 시스템 또는 통신 네트워크에 사용하기 적절할 수 있다. 예컨대, 모바일 디바이스는 음성 및/또는 데이터의 빠른 무선 전송을 보장하는 디지털 시스템을 포함할 수 있다. 전형적인 모바일 디바이스는 다음 부품들 중 일부 또는 전부를 포함한다. 송수신기(예컨대, 집적 송신기, 수신기 및 필요하다면 다른 기능을 갖는 단일 칩 송수신기를 포함하는, 송신기 및 수신기), 안테나, 처리기, 디스플레이, 하나 이상의 오디오 변환기(예컨대, 오디오 통신용 디바이스 내와 같은 스피커 또는 마이크로폰), (데이터 프로세싱이 제공되는 디바이스 내와 같은 ROM, RAM, 디지털 데이터 저장소 등과 같은) 전자기 데이터 저장소, 메모리, 플래시 메모리, 및/또는 풀 칩셋 또는 집적 회로, {범용 직렬 버스(USB), 코더-디코더(CODEC), 범용 비동기화 송수신기(UART), 상변화 메모리(PCM) 등과 같은} 인터페이스. 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 다른 부품이 제공될 수 있다.

모바일 사용자가 무선 연결을 통해 근거리 네트워크(LAN)에 접속할 수 있는 무선 LANs(WLANs)이 하나 이상의 분광학 디바이스 사이의 무선 통신을 위해 채택될 수 있다. 무선 통신은 광, 적외선, 무전, 극초단파와 같은 전자기파를 통해 전파되는 통신을 포함할 수 있다. 블루투스^?, IEEE 802.11, 및 구식 HomeRF와 같은 현존하는 다양한 WLAN 표준이 있다.

예컨대, 블루투스는 모바일 컴퓨터, 모바일 폰, 휴대용 핸드헬드 디바이스, 휴대 정보 단말길(PDA), 및 다른 모바일 디바이스 사이의 연결과, 인터넷에로의 연결을 제공하도록 사용될 수 있다. 블루투스는 모바일 디바이스가 어떻게 서로 그리고 단거리 무선 접속을 사용한 비모바일 디바이스와 쉽게 상호 접속될 수 있는지를 상세하게 설명하는 컴퓨터 조작 및 전기 통신 산업 설명서이다. 블루투스는 하나의 디바이스로부터 다른 것까지 일관되고 동기화된 데이터를 저장하는 것을 요구하는 다양한 모바일 디바이스의 확산으로부터 유발된 최종 소비자 문제를 해결하기 위한 디지털 무선 프로토콜을 생성하고, 그로 인해 상이한 판매처로부터의 장비가 모두 균일하게 작동하도록 한다.

IEEE 표준, IEEE 802.11은 무선 LAN 및 장치에 대한 기술을 특정한다. 802.11을 사용하여, 무선 네트워크는 여러 장치를 지원하는 각각의 단일 기지국과 함께 달성될 수 있다. 소정의 예에서, 장치는 무선 하드웨어를 미리 장착할 수 있고, 또는 사용자가 안테나를 포함할 수 있는 카드 등과 같은 하드웨어의 별도의 부속을 설치할 수 있다. 예를 통하여, 802.11에서 사용되는 장치는, 그 장치가 액세스 포인트(AP), 이동국(STA), 브릿지, 개인용 컴퓨터 메모리 카드 국제 협회(PCMCIA) 카드(또는 PC 카드), 또는 다른 장치인지 여부에 상관없이, 일반적으로 3개의 주요한 요소, 즉, 라디오 송수신기, 안테나 및 네트워크 내 지점 간의 패킷 흐름을 제어하는 MAC(미디어 액세스 제어) 계층을 포함한다.

또한, 다중 인터페이스 디바이스(MIDs)가 일부 무선 네트워크에서 사용될 수 있다. MIDs는 블루투스 인터페이스와 802.11 인터페이스 등과 같은 2개의 독립적인 인터페이스를 포함할 수 있고, 따라서, 이로 인해 MID가 블루투스 장치와의 인터페이스와 마찬가지로 2개의 개별적인 네트워크에 참여할 수 있게 된다. MID는 IP 주소 및 상기 IP 주소와 관련된 공용 IP(네트워크) 이름을 가질 수 있다.

무선 네트워크 장치는 블루투스 장치, 와이맥스(WiMAX, 전자파 액세스를 위한 전세계 상호 운용성), 다중 인터페이스 장치(MIDs), 802.11X 장치(802.11a, 802.11b 및 802.11g 장치를 포함하는 IEEE 802.11 장치), HomeRF(홈 라디오 주파수)장치, 와이파이(Wi-Fi, Wireless Fidelity) 장치, GPRS(일반 패킷 라디오 서비스) 장치, 3G 셀룰러 장치, 2.5G 셀룰러 장치, GSM(이동 통신을 위한 글로벌 시스템) 장치, EDGE(GSM 발달을 위한 향상된 데이터) 장치, TDMA 유형(시간 분할 다중 접속) 장치, 또는 CDMA2000을 포함하는 CDMA 유형(코드 분할 다중 접속) 장치를 포함할 수 있지만 이에 한정되지 않는다. 각 네트워크 장치는 IP 주소, 블루투스 장치 주소, 블루투스 공용 이름, 블루투스 IP 주소, 블루투스 IP 공용 이름, 802.11 IP 주소, 802.11 IP 공용 이름, 또는 IEEE MAC 주소를 포함하지만 이에 한정되지 않는 다양한 유형의 주소를 내장할 수 있다.

또한 무선 네트워크는 모바일 IP(인터넷 프로토콜) 시스템, PCS 시스템, 및 기타 모바일 네트워크 시스템에서 찾아볼 수 있는 방법 및 프로토콜을 포함할 수 있다. 모바일 IP에 관하여, 이는 인터넷 엔지니어링 태스크 포스(IETF)에 의해 생성된 표준 통신 프로토콜과 관련된다. 모바일 IP로써, 모바일 장치 사용자는 한번 할당된 자신의 IP 주소를 유지하면서 네트워크들 사이를 이동할 수 있다. 코멘트(RFC) 3344에 대한 요청을 참조한다. 주의: RFCs는 인터넷 엔지니어링 태스크 포스(IETF)의 공식 문서이다. 모바일 IP는 인터넷 프로토콜(IP)을 강화하고, 홈 네트워크 외부와 연결할 때 모바일 장치에 인터넷 트래픽을 전달하는 기구를 부가한다. 모바일 IP는 각 모바일 노드에 홈 네트워크 상의 홈 주소와, 네트워크와 그 서브넷 사이의 장치의 현재 위치를 식별하는 보조 주소(CoA, care-of-address)를 할당한다. 장치는 다른 네트워크로 이동될 때, 신규 보조 주소를 받는다. 홈 네트워크 상의 이동 에이전트는 각각의 홈 주소를 그 보조 주소와 연계할 수 있다. 모바일 노드는 인터넷 제어 메시지 프로토콜(ICMP)을 사용하여 보조 주소를 변경할 때마다 홈 에이전트에게 바인딩 업데이트를 송부할 수 있다.

기본 IP 라우팅에서(예컨대, 외부 모바일 IP), 라우팅 기구는 각 네트워크 노드가 항상 인터넷에 대한 일정한 접속 지점을 가지고 있으며 각 노드의 IP 주소는 연결되어 있는 네트워크 링크를 식별한다는 가정에 의존한다. 노드는 노드 재배포 지점이나 데이터 전송을 위한 종점(end point)을 포함할 수 있고, 다른 노드로의 프로세스 및/또는 전달 통신을 인식할 수 있는 연결 지점을 포함한다. 예를 들어, 인터넷 라우터는 장치의 네트워크를 식별하는 IP 주소 접두사 등을 검토할 수 있다. 이후에, 네트워크 수준에서, 라우터는 특정 서브넷을 식별하는 비트의 세트를 검토할 수 있다. 이후에, 서브넷 수준에서, 라우터는 특정 장치를 식별하는 비트의 세트를 검토할 수 있다. 통상적인 모바일 IP 통신으로써 사용자가 인터넷으로부터 모바일 장치를 연결 해제하고, 신규 서브넷에서 재연결하려고하면, 장치는 신규 IP 주소, 적절한 네트 마스크 및 디폴트 라우터로 재구성되어야 한다. 그렇지 않으면, 라우팅 프로토콜은 적절하게 패킷을 전달할 수 없을 것이다.

전술된 컴퓨팅 시스템(400)은 본 명세서에 개시된 분광 장치 등과 같은 하나 이상의 장치(460)를 포함하는 컴퓨터 네트워크의 일부로서 활용될 수 있다. 일반적으로, 컴퓨팅 환경에 대한 설명은 네트워크 환경에서 사용되는 서버 컴퓨터와 클라이언트 컴퓨터 모두에 적용된다. 도 11b는 통신 네트워크(450)를 통해 클라이언트 컴퓨터와 통신하는 서버를 구비한 예시적으로 도시된 네트워크 컴퓨팅 환경(400)을 도시한다. 도 11b에 도시된 바와 같이, 서버(410)는 (고정 유선 또는 무선 LAN, WAN, 인트라넷, 익스트라넷, 피어-투-피어 네트워크, 가상 개인 네트워크, 인터넷 또는 다른 통신 네트워크 중 어느 하나 또는 그 조합이 될 수 있는) 통신 네트워크(450)를 통해 태블릿 개인용 컴퓨터(402), 셀룰러 폰(404), 전화(406), 개인용 컴퓨터(402'), 및 개인용 디지털 보조장치(408) 등과 같은 다수의 클라이언트 컴퓨팅 환경과 상호 연결될 수 있다. 통신 네트워크(450)가 인터넷인 네트워크 환경에서, 예를 들어, 서버(410)는 하이퍼 텍스트 전송 프로토콜 (HTTP), 파일 전송 프로토콜 (FTP), 단순 객체 접근 프로토콜(SOAP), 또는 무선 어플리케이션 프로토콜(WAP) 등과 같은 다수의 알려진 프로토콜 중 어느 것을 통하여 클라이언트 컴퓨팅 환경으로의 및 이로부터의 데이터의 처리 및 통신을 운영할 수 있는 컴퓨팅 환경 서버로 전용될 수 있다. 개시 내용의 기술 사상의 범위를 벗어나지 않고, 예컨대 무선 마크업 언어(WML), 도코모 i-mode(예를 들어 일본에서 사용됨), 및 XHTML 베이직을 포함하는 다른 무선 프로토콜이 사용될 수 있다. 또한, 네트워크 컴퓨팅 환경(400)은 보안 소켓 레이어(SSL) 또는 프리티 굿 프라이버시(PGP)와 같은 다양한 데이터 보안 프로토콜을 사용할 수 있다. 각각의 클라이언트 컴퓨팅 환경은 서버 컴퓨팅 환경(400)에 액세스 권한을 얻기 위해 웹 브라우저(도시되지 않음), 또는 다른 그래픽 사용자 인터페이스(도시되지 않음), 또는 모바일 데스크탑 환경(도시되지 않음) 등과 같은 하나 이상의 컴퓨팅 어플리케이션을 지원하도록 운영할 수 있는 운영 체계(438)를 장착할 수 있다.

작동에 있어서, 사용자(도시 생략)는 요구되는 데이터 및/또는 컴퓨팅 어플리케이션을 얻기 위해 클라이언트의 컴퓨팅 환경 상에서 작동하는 컴퓨팅 어플리케이션과 상호 교류할 수도 있다. 데이터 및/또는 컴퓨팅 어플리케이션은 서버 컴퓨팅 환경(400) 상에 저장되고 예시적인 통신 네트워크(450)에 걸쳐 클라이언트 컴퓨팅 환경을 통해 협력 사용자에게 연결될 수도 있다. 참여 사용자는 서버 컴퓨팅 환경(400) 내에 전체적 또는 부분적으로 내장된 특정 데이터 및 어플리케이션에 대한 접근을 요청할 수도 있다. 이들 데이터는 처리 및 저장을 위해 클라이언트 컴퓨팅 환경과 서버 컴퓨팅 환경 사이에서 연결될 수도 있다. 서버 컴퓨팅 환경(400)은 제너레이션(generation), 인증, 암호화 및 통신 데이터와 어플리케이션을 위한 애플릿(applet), 프로세스 및 컴퓨팅 어플리케이션을 관리할 수도 있고, 다른 서버 컴퓨팅 환경(도시 생략), 제3 파티 서비스 제공자(도시 생략), 네트워크 결합 스토리지[network attached storage(NAS)] 및 스토리지 전용 네트워크[storage area network(SAN)]와 협동하여 어플리케이션/데이터 처리를 구현할 수도 있다.

IV . 키트( Kits )

키트 내부에서 샘플을 테스트하기 위해 분광 장치를 사용하는데 필요한 모든 장치, 공구, 부품, 재료 및 액세서리에 대한 번들링(bundling)은 장치의 사용성 및 편리성을 향상시킬 수도 있다. 샘플의 스펙트럼 특성을 검지하기 위한 적정 키트는 또한, 예를 들어 전자기 방사선 소스 및 전자기 방사선 소스와 샘플과 연결하는 크리스탈을 포함할 수 있고, 크리스탈은 전자기 방사선을 반사시키도록 구성된 높은 굴절률을 가진다. 키트는 또한 이에 제한되지는 않지만 하나 이상의 검지기, 여과기 및/또는 렌즈를 포함하는 다른 부품을 포함할 수 있다.

V. 예

예 1. 포유 동물에 있어서의 혈당 레벨 결정

전술된 장치 및 방법은 포유 동물에 있어서 혈당 레벨을 검지하기 위해 사용될 수 있다. 환자의 피부 표면이 시스템 근처에 놓여질 수 있다. 이후, 피부는 전달 크리스탈을 통해 적절한 위치에서 전자기 방사선 비임에 조사된다. 비임은 현관까지 피부 표면을 관통한다. 비임은 조직 내부 위치로부터 크리스탈까지 재반사된다. 복귀 비임은 사용자의 혈당 레벨을 표시하는 정보를 반송한다. 복귀 비임은 적절한 처리기를 사용하여 분석되어, 예를 들어 반사된 광 강도 대 파장 대 입사 각도 함수의 전체 맵을 제공할 수 있다. 이러한 정보는 다른 생물학 변수 정보와 관련될 수 있다. 또한, 맵은 LCD 상에 표시되거나 그리고/또는 네트워크로 연결될 수 있다. 장치는 포도당에 대한 제1 파장 및 포도당이 흡수하지 않는 파장에서의 제2 파장을 사용하도록 구성될 수 있다. 두 각도 모두 각도 파동에 걸쳐 래스터(raster) 처리되고, 분석되어, 비율이 얻어진다.

예 2. 물질의 비접촉 검사

다른 적용예는 비접촉 검사 영역이 있다. 통상적으로 ATR에 있어서, ATR 크리스탈와 피시험 견본 사이에 매우 긴밀한 광학 접촉을 생성하는 것이 필수적이다. 이러한 긴밀한 접촉이 없으면, 중간층, 통상 공기는 굴절률 및 깊이 산출이 고려되어야만 한다. 파우더 및 다른 불규칙 샘플의 경우는 종종 공기 공간 전부를 제거하는 것이 불가능하다. 그 결과, 측정치는 종종 일 측정치와 다음 측정치 사이에서 불안정해진다. 긴밀한 광학 접촉의 다른 이유는 관통 깊이가 ATR 내에서 너무 작기 때문에 소산파(evanescent field)가 가장 강한 경우 견본을 크리스탈에 가능한 근접시키는 것이 목적이기 때문이다. 본 명세서에 의하면, 관통 깊이를 더 크게 하는 것이 가능하다. 따라서, 견본이 ATR 크리스탈와 물리적인 접촉이 아닌 경우에도 매우 양호한 스펙트럼을 얻을 수 있다. 따라서, 소산파 영역에서의 불안정성의 문제가 회피될 수 있다. 이러한 것의 우수한 적용은 물질의 비접촉 검사 분야, 특히 물질이 예를 들어 생산 라인 상에서 이동하는 경우이다. 비접촉 검사 분야에 있어서 특정 적용은 생산 라인 상에서 약제학적 정제의 검사를 들 수 있다.

예 3. 농약 검사

다른 적용예는 농약 검사 분야이다. 앞서 대략적으로 기술된 장치는 소비자가 식품점, 그 저장소 내 농산물 또는 농산물을 집에서 씻은 후 농약의 레벨 및 형태를 검지하는 것이 가능하도록 구성될 수 있다.

참고문헌

J. Fahrenfort, Spectrochim. Acta 17,698(1961).

Harrick, N. J., 내부 반사 분광, 뉴욕; 윌리 인터사이언스, 1967

Fringeli UP, Goette J, Reiter G, Siam M, and Baurecht D(1998) FTIR-ATR 분광에 의한 배향 멤브레인 조립체의 구조 검사. 푸리에 트랜스폼 분광에 대한 11차 국제 회의의 회의록 중.

Messerschmidt RG, 다중 내부 반사 분광 시스템, 미국 특허 4,730,882(1988)

본 명세서의 양호한 실시예가 도시 설명되었지만, 이 기술 분야의 숙련자에게 있어 이러한 실시예가 단지 예시로서 제공되었음은 명백할 것이다. 본 발명 내에서의 수많은 변형, 변경 및 대체가 기술 분야의 숙련자에 있어 이루어질 것이다. 본 명세서에서 기술된 본 발명의 실시예의 다양한 대체예는 본 발명의 실시에서 채용될 수도 있음을 이해하여야 한다. 이어지는 청구범위가 본 발명의 범위를 한정하며 이 청구범위 및 그 등가의 범위 내의 방법 및 구조가 보호된다.

Claims

주변-임계 반사 분광 장치.