KR20150036207A - 성분 분석을 위한, 모바일 스마트 장치 적외선 측정 기구, π방법 및 시스템 - Google Patents
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Abstract
휴대용 적외선 분광 장치 및 사용 방법. 장치는 휴대용 분광 장치이며, 이는 모바일 폰 또는 스마트폰, 태블릿, 개인 휴대 정보 단말기(PDA), 컴퓨터 또는 어플리게이션을 수행할 수 있고 이동가능한 다른 장치와 같은 스마트 장치에 통합될 수 있다. 장치 내부에 있고 장치 분광계에 매우 인접하여 위치한 액체 샘플 포트는 액체 샘플 상에 적외선 스펙트럼 분석을 수행하고, 이는 이동성 뿐만 아니라 액체 샘플의 매우 정교하고 특이적인 스펙트럼 분석 모두를 가능하게 한다. 장치는 데이터 및 스펙트럼 이미지를 전세계적으로 전송할 수 있게 하는 무선 통신 능력을 가진다.
Description
본원은 2012년 6월 28일에 출원된 미국가출원번호 61/665,684에 대한 우선권을 향유한다. 선출원은 참조로서 포함된다.
본 발명은 적외선 흡수 분광법에 관한 것으로, 더 구체적으로는 스마트 장치, 또는 추가적인 데이터 분석, 전송 및 통신을 위한 컴퓨터 또는 스마트 장치에 무선으로 결합되거나 내장될 수 있는 별도의 휴대용 모바일 장치, 또는 스마트 장치를 사용하여 모바일 플랫폼 상에서 적외선 분광 용액 분석을 수행하는 것에 관한 것이다. 장치 및 방법은 용액 샘플의 원격 '야외(field)' 시험을 쉽고 효율적이로 데이터를 분석하고 전세계적으로 공유할 수 있는 능력을 갖는다.
적외선 흡수 분광법은 성장하고 있는 기술이고 다양한 분야, 특히 의학 및 법률집행 분야와 같은 많은 분야에서 다양한 응용에 수용된다. 흡수 분광법은 그것의 특이성 및 정량적 유형 때문에 화학적 분석에 유용하다. 푸리에변환 적외선 분광법(Fourier Transform Infrared Spectrometry)으로도 불리는, 적외선 분광법의 이 방법은 샘플을 통과하는 적외선의 양을 측정한다. 적외선은 유기 및 무기 물질 중에 화학 결합들과 상호작용하고, 적외선 스펙트럼으로 불리는 형태로 보여진다. 적외선 스펙트럼 영역은 가시스펙트럼의 적색단인 약 650 nm의 파장으로부터 마이크로파 영역의 스펙트럼인 약 1 mm의 파장까지이다. 이 파장 범위는 근적외선(약 650 ~ 약 1400 nm), 단 적외선(short infrared)(약 1400 ~ 약 3000 nm), 중-적외선(mid-infrared)(약 3000 ~ 약 8000 nm), 장 적외선(long infrared)(약 8000 ~ 약 15000 nm), 및 원적외선(15000 nm 초과 ~ 약 1 mm)로 더 분할될 수 있다. 자주, 본원ㅇ에 표시된 근적외선 및 단 적외선 범위는 약 650 nm 내지 약 3000 nm 범위의 "근적외선"으로서 일반적으로 지칭된다. 적외선 파장은 센티미터 안에 들어맞는 파동의 수로서, "cm-1"로 표시되는, 파수로 불리는 단위로 자주 표현된다.
흡수 밴드, 또는 특정 파장 또는 파수에서 발생하는 "피크"는 분자들의 화학 결합의 결과로서 이러한 파장에서 분자에 의한 적외선의 흡수를 보여준다. 그 결과, 적외선 분광법은 분자들의 구성 결합(constituent bond)을 분석하는 것에 의해 분자를 식별하고 그들의 존재를 정량하는데에 자주 사용되는 기술이다. 분자 내에 각각의 화학 결합은 그 결합의 특유의 주파수에서 진동한다. 분자(예, CH2) 내에 원자 그룹은 전체적으로서 그룹의 신축 및 굽힘 모션에 의해 유발된 복수의 진동 모드를 가질 수 있다. 만일 진동이 분자 내에 극성의 변화를 초래하면, 분자는 동일한 주파수를 갖는 광자를 흡수할 것이다. 대부분의 분자의 진동 주파수는 적외선의 주파수에 해당한다. 보통, 중적외선 스펙트럼 범위를 나타내는, 약 4000 내지 약 400 cm-1의 광 조사를 사용하는 기술이 유기 화합물을 연구하는데에 사용된다. 샘플에서 모든 흡수 주파수의 스펙트럼은 기록된다. 이는 존재하는 화학적 그룹(chemical group)의 면에서 샘플 조성물에 관한 정보 및 그의 순도를 얻기 위하여 사용될 수 있다(예, 젖은 샘플은 3200 cm-1에서 넓은 O-H 흡수를 보일 것임).
합성 및 천연 물질을 분석하는 경우에, 근적외선 흡수 분광법은 곡물, 사료(forages), 제과품, 밀가루, 음료, 농업사료(feed), 의약, 유제품, 탄화수소 및 석유화학제품, 정제화학약품, 방사성 및 유해 물질, 및 의료영상 및 의료진단에서 복수의 응용에서 전례없는 산업적 성과를 최근 보였다. 적외선 분광법의 기본적 용도는 공정 관리, 품질 평가, 원재료 및 공정 부산물의 식별, 및 복잡한 화합물의 화학적 정량 분석을 위한 것이다.
샘플 내에 존재하는 성분 및 분자의 존재 및 양을 평가하기 위하여, 적외선은 샘플을 통과하여 지나간다. 샘플을 통과하여 지나가는 적외선 스펙트럼의 강도는 정량적 정보를 제공하고(예, 측정된 광의 피크의 크기), 샘플 내에 흡수가 발생하는 파장의 주파수는 특정 화합물들의 존재를 식별하는데, 그 이유는 두개의 화합물들이 동일한 원자구성을 갖지 않기 때문에, 물질을 구성하는 원자의 결합들 사이에서 다른 주파수의 진동이 발생되고, 샘플 내의 성분에 관하여 성분들의 결합 및 분자 구조에 기초하여 정성적 정보를 제공한다. 따라서, 적외선 시험은 시험 샘플에 존재하는 성분들의 분자 "지문(fingerprint)"을 제공한다. 일반적으로, 검체의 분석에 대하여, 적외선 스펙트럼 데이터 및 대조 분석이 발생되어 교정(calibration) 샘플로서 역할한다. 교정 샘플은 알려진 검체의 식별을 허용하고, 교정 샘플의 라이브러리는 시험 샘플에서 모르는 성분을 식별하는데에도 사용될 수 있다. 적외선 분광법은 타액에서 코카인과 같은 약물의 검출, 당뇨병 환자에서 글루코오스의 검출과 같이 그의 용도가 많아지고 있으며, 그리고 또한 환자의 생화학적 변화를 검출하여 질병을 검출하는데에 사용될 수 있다. 근적외선 분광법은 연못 및 습지에서 다양한 화합물에 대한 시험을 위하여 사용될 수도 있다.
적외선 분광법 관련 분야에 관한 추가적인 정보는 하기 공개문헌에서 찾아볼 수 있으며, 각각은 본원에 참조로서 전부가 포함된다: [T. D. RIDDER,* S. P. HENDEE, 및 C. D. BROWN, Noninvasive Alcohol Testing Using Diffuse Reflectance Near-Infrared Spectroscopy, APPLIED SPECTROSCOPY, Volume 59, Number 2, 2005]; [Y. Katsumoto, D. Adachi, H. Sato, 및 Y. Ozaki, J. Near Infrared Spectrosc. 10, 85 (2002)]; [Y. Katsumoto, D. Adachi, H. Sato, 및 Y. Ozaki, J. Near Infrared Spectrosc. 10, 85 (2002)]; 및 [Eli S. Jacoby, Andrew T. Kicman, Paul Laidler 및 Ray K. lies, Determination of the Glyco forms of Human Chorionic Gonadotropin β-Core Fragment by Matrix-assisted Laser Desorption/Ionization Time-of-Flight Mass Spectrometry]; [David A Scott, Diane E. Renaud, Sathya Krishnasamy, Pinar Meric, Nurcan Buduneli, Svetki Cetinkalp, Kan-Zhi Liu, Diabetes-related molecular signatures in infrared spectra of human saliva, Diabetology & Metabolic Syndrome 2010, 2:48.]; http://www.nano-tera.ch/pdf/posters2011/0-0-3-1.png에서 구할 수 있는 Kerstin M.C. Hans, Susanne Muller, Markus W. Sigrist, IrSens: Sensing cocaine in saliva employing a one-step extraction and MIR spectroscopy; 분석화학 백과사전에서 R. Anthony Shaw and Henry H. Mantsch, Infrared Spectroscopy in Clinical and Diagnostic Analysis; [Svetlana Khaustova, Maxim Shkurnikow, Evgeny Tonevitsky, Viacheslav Artyushenko, Alexander Tonevitsky, Noninvasive biochemical monitoring of physiological stress by Fourier Transform infrared saliva spectroscopy, The Royal Society of Chemistry, 2010, Received 16th July 2010, accepted 29th September 2010]; [Steve Barnett, White Paper: Evaluation of Near-IR Wavelengths for the Detection of Glucose, Acetone, and Ethanol in Saliva].
현재, 적외선 분광법을 이용하여 체액 또는 다른 환경 샘플들 내에 성분들의 검출, 정량 및 분석을 가능하게 하는 장치 및 방법은 샘플들 또는 다른 샘플 조작, 실험실 장비(휴대용 또는 실외용이 아님)를 건조하는 것, 또는 살아있는 피검자, 피검자 조직 등으로부터 측정하는 것을 요구한다. 예를 들어, US8309931은 적외선 분광법을 사용하여 방광통 증후군 및 간질성 방광염과 같은 질병 상태를 진단하는 신속한 방법에 관한 것이다. 그러나, 상기 방법은 샘플을 수집하는 단계, 샘플의 일부를 슬라이드 상에 배치하는 단계, 일부를 건조하는 단계, 및 다양한 데이터 모델에 비해 시험 피검자의 상태를 식별하기 위하여 적외선 스펙트럼을 수집하는 단계를 요구한다. US8406839는 화합물의 농도, 및 인간 또는 동물과 같은 피검자의 일부 또는 혈중 산소포화도의 값을 측정하기 위한 휴대용 장치에 관한 것이다. US5361758은 혈액 및 살아있는 인간 또는 동물의 조직중에 글루코오스 및 다른 성분들의 농도를 측정하기 위한 비-침습성 장치에 관한 것이다. 또한, US6236047은 생명체 중에 혈중 글루코오스 농도를 결정하기 위한 비-침습성 방법에 관한 것이다.
적외선 분광법 분석 분야에서 여전히 결여되어 있는 것은 원격 위치(병원 또는 실험실로부터 떨어져 있음)에서 있을 수 있는 액체 샘플 중에서 임상적 정밀성을 제공하기 위한 장치 및 방법이며, 이에 의하여 상기 장치 및 방법은 샘플 중에서 화합물의 더 정확한 식별 및 정량을 위하여 관심있는 적외선의 단일 또는 다중, 좁고 넓은 밴드폭을 단리하도록 작동한다. 본 발명의 장치 및 방법은 액체 또는 용액 형태 중에 적외선 분광법 샘플 시험을 모바일/휴대용 장치 플랫폼에 제공하는 능력을 창출한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명은 액체 샘플 시험 포트 및 분광 분석용 분광계로 구성된 휴대용 장치이다. 적외선 분광계는 마이크로프로세서, 컴퓨터 등일 수 있는 프로세서에서 작동하도록 연결될 수 있다. 액체 샘플 시험 포트는 분광계의 적외선 광원에 매우 인접한 것이 바람직하고, 휴대용 장치는 무선 통신 네트워크를 통한 무선 통신을 가능하게 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 휴대용 분광학 장치는 적외선 범위의 광의 파장을 방출하는 적외선 광원, 적외선 광원에 밀접하게 연관되는 액체 샘플 시험 포트 및 액체 샘플을 수용하기 위한 샘플 트레이(이때, 적외선은 샘플 트레이 상의 샘플 전부 또는 일부를 통과함), 액체 샘플이 흡수한 적외선의 주파수의 스펙트럼을 기록하기 위한 적외선 수신기, 및 액체 샘플 내에 하나 이상의 화합물의 농도를 스텍트럼 데이터 및/또는 이미지의 형태로 검출하고 정량하기 위하여 적외선 수신기에 연결된 데이터 프로세서를 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 액체 샘플 중에 하나 이상의 화합물의 농도를 결정하기 위한 방법은 샘플 트레이 상에 액체 샘플을 배치하는 단계, 적외선 분광계를 함유하는 휴대용 장치에 내장된 샘플 시험 포트 안으로 샘플 트레이를 삽입하는 단계, 샘플에 적외선을 조사하는 단계, 적외선 흡수의 주파수의 스펙트럼을 기록하는 단계, 및 샘플 적외선 흡수에 기초하여 액체 샘플 내에 하나 이상의 화합물의 존재 또는 농도를 결정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 적외선 분광법을 사용하여 체액 중에 하나 이상의 화합물의 농도를 결정하는 방법은, 샘플 트레이 상에 체액의 샘플을 배치하는 단계, 적외선 분광계를 함유하는 휴대용 장치에 내장된 샘플 시험 포트 안으로 샘플 트레이를 삽입하는 단계, 샘플에 적외선을 조사하는 단계, 샘플에 의해 흡수된 적외선의 결과로서 적외선의 파장을 검출하는 단계, 샘플에 의한 적외선 흡수의 주파수의 스펙트럼을 기록하는 단계, 및 샘플에 의한 적외선 흡수의 주파수의 스펙트럼을 휴대용 장치로부터 무선 통신 네트워크를 통해 하나 이상의 다른 장치로 전송하는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 액체 샘플 중에 하나 이상의 성분들을 검출하거나 정량하기 위해서 적외선 분광법을 이용하여 액체 샘플을 시험하는 방법은, 휴대용 분광 장치에 슬라이드식으로 연결된 액체 시험 포트 내에 액체 샘플을 수용하는 단계, 액체 샘플을 적외선에 근거리에서 노출시키는 단계, 샘플에 의한 적외선 흡수의 주파수의 스펙트럼을 기록하는 단계, 액체 샘플 중에 하나 이상의 성분들을 검출하거나 정량하여 액체 샘플과 관련된 스펙트럼 데이터를 생성하기 위하여 흡수 주파수를 분석하는 단계, 및 스펙트럼 데이터를 휴대용 장치로부터 무선 통신 네트워크를 통해 하나 이상의 다른 장치로 전송하는 단계를 포함한다.
본 발명의 이런 장치 및 방법은 체액, 다른 유체 또는 동물 유체와 같은 물질, 또는 환경 샘플에 존재하는 성분 및 거기서 발생하는 것을 변화시키는 성분의 매우 특이적 정량 및 정성 분석에 유용하다. 사용자는 사실상 거의 전세계에 존재하는 임의의 유기 또는 무기 액체 샘플들을 다르게 조작하거나(예, 건조) 실험실 환경으로 샘플을 운반하지 않고도 시험할 수 있다 - 시험 및 분광 분석은 현장에서 실시간으로 수행될 수 있다.
장치는 작은 휴대용 전용 분광 장치의 일부 또는 스마트 장치의 일부로서 적외선 분광계를 포함한다. 만일 적외선 분광계가 스마트 장치의 일부이면, 장치는 예컨대 구입가능한 스마트폰 또는 스마트 장치의 내부 카메라와 유사하게 적외선 분광계를 내부에 소장하도록 변형된다. 대부분 스마트 장치 및 컴퓨터들의 충전 포트 또는 USB와 유사한 액체 샘플 시험 포트는, 분광 장치와 슬라이드식으로 맞물리는 것이 바람직한 작은 샘플을 수용하기 위한 장치 하우징(housing) 내부에 설계된다. 본원에서 사용된 바와 같이, 용어 "적외선(또는 IR) 분광계" 또는 "적외선(또는 IR) 분광 장치"는 적외선 범위의 광의 파장을 방출하고 검출하는 장비를 의미한다. 분광계를 구성하는 성분들은 적외선 광원, 또는 방사체, 적외선 수신기, 및 바람직하게는 하나 이상의 적외성 필터를 포함한다(하지만 이에 제한되지 않음). 본 발명의 일 실시예에 따르면, 분광계는 휴대용 장치 또는 스마트 장치에 포함되는데, 적외선 방사체는 액체 샘플 시험 포트에 매우 인접하며, 트레이가 포트를 통해 장치 안으로 슬라이드식으로 이동하면 분광계는 적외선을 액체 샘플을 통해 샘플 트레이 상으로 전달하기 위해 전략적으로 정렬된다. 적외선 분광계의 적외선 수신기 부분은 적외선 방사체로부터 샘플 트레이의 반대측에 또는 방사체와 동일한 트레이 측 상에 전략적으로 정렬되며, 만일 동일 측에 있다면, 일반적으로 분광학 학계에서 이해되는 바와 같이 샘플을 통과하는 적외선을 반사 배열(reflecting arrangement)을 통해 전달한다. 적외선 분광계는 현실적으로 콤팩트한 것이 바람직하고, 휴대용 장치 또는 스마트 장치에 장착되기에 충분히 작은 임의의 상업적으로 구입가능한 분광계일 수 있다.
이런 분광 장치는 원치않는 광 방사선을 차단하고 오직 적외선만이 통과할 수 있도록 하는 적외선 필터를 사용할 수 있다. 가끔 "밴드 여과(band pass)" 필터로 불리는, 특정 밴드 또는 밴드폭 필터는 특정 파장 또는 밴드를 갖는 적외선만 샘플을 통과하도록 하는데에 초점을 맞추어 사용될 수 있다. 적외선은 샘플을 통과하여 샘플 트레이 상에 전달되기 이전에 또는 이후에, 하나 이상의 필터를 통과하여 적외선 방사체에 의해 전달된다. 상기 방식에서, 필터는 적외선 방사체 및/또는 적외선 수신기에 인접하여 작동하도록 배치될 수 있다. 이후에, 결과로 얻은 스펙트럼 데이터는 예컨대 장치에 내장되거나 무선 통신을 통해 접근가능한 분광 자료 또는 특정 분석물질에 대한 교정 데이터에 대해 평가되거나 비교될 수 있다. 또한, 스펙트럼 데이터는 교정 데이터를 생성하기 위해 사용될 수 있다. 적외선 분광계는 샘플을 통해 전달된 파장 측정값을 분석하고, 샘플 중에 하나 이상의 성분 또는 구성성분을 식별하는 데이터 및/또는 스펙트럼 이미지를 제공하고, 샘플 중에 하나 이상의 성분 또는 구성성분의 수준을 정량하는 마이크로프로세서에 작동하도록 연결될 수 있다. 마이크로프로세서로부터의 데이터/이미지 출력은 휴대용 장치 또는 스마트 장치 상에 표시될 수 있고, 미래에 사용을 위해(예, 다른 샘플 데이터와의 비교) 마이크로프로세서에 의해 장치에 저장되고, 다른 장치에 전송되거나 프린터에 전송될 수 있다. 마이크로프로세서는 분광계와 동일한 하우징(housing)에 내장될 수 있고, 또한 무선 데이터 전송 유닛은 마이크로프로세서로부터 데이터를 전송하거나 수신하기 위해서 뿐만 아니라 외부장치로부터/외부장치로 데이터를 전송하고 수신하기 위하여 하우징 안에 내장될 수 있다. 또한, 장치는 배터리 또는 다른 전원을 구비할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 휴대용 분광 장치는, 컴퓨터 또는 다른 스마트 장치나 모바일 전화기를 위한 USB 연결부 및 AC 전원을 위한 플러그를 구비한, 소형 이동식 데스크탑 유형의 장치이다. 또한, 장치는 무선 능력을 갖도록 제공될 수 있고, 무선 작동을 위한 배터리를 구비할 수 있다. 장치는 온/오프, 시험, 발송/수신(데이터를 발송 및 수신하기 위함) 및 표시를 위한 버튼도 구비할 수 있다. 본 발명에서 고려된 무선 전송 양식은 블루투스, Wi-Fi, 개인 영역 네트워크, 근거리 통신, 이동 통신, 위성 통신을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 휴대용 장치는 휴대폰, 개인 휴대 정보 단말기(PDA), 스마트 태블릿, 랩탑 컴퓨터, 또는 통합형 분광계, 마이크로프로세서, 및 무선 통산 능력을 구비한 다른 이동용 장치일 수 있다.
다양한 방식의 작동에 있어서, 본 발명은, 샘플의 공급원에 매우 인접하거나, 실험실 또는 병원가 근접해 있을 필요가 없는 휴대용 장치에서 용액 또는 복수의 용액 중에 하나 이상의 성분들에 대한 스펙트럼 분석을 정성적 및 정량적으로 결정하는 능력을 제공한다. 샘플들은 취해지고 즉시 시험될 수 있는데, 예를 들어, 약물/DUI 검사를 위한 길가 타액 시험, 임신 검사를 위한 소변 시험, 또는 시간의 문제, 성분 분해, 샘플 증발 등이 걱정될 수 있는 독소 또는 위험 화학물질에 대한 시험을 위해 환경물 샘플 예컨대 물 샘플의 신속한 검사가 즉시 이루어질 수 있다.
개시된 발명의 실시예는 처리 시스템 예컨대 분광 장치의 일부이거나 연결될 수 있는 하나 이상의 데이터 프로세서 및 메모리에 접속가능하고/접속가능하거나 그들에 의해 실행 가능한 컴퓨터 프로그램을 포함할 수 있다고 통상의 기술자에게 자명할 것이다. 흡수된 적외선의 파장을 분석하는 단계를 수행하는 프로세서 및/또는 메모리는, 스마트폰 또는 스마트 장치에 통합되는 분광 장치의 일부일 수 있거나 처리 능력을 갖는 하나 이상의 다른 장치와 통신하는 휴대용 분광 장치의 일부일 수 있다. 파장 측정, 파장 분석, 간섭 결정 및/또는 교정 항수 발생(calibration constant generation)을 포함하는 개시된 방법의 단계는, 컴퓨터 판독가능한 전달 매체 상에 하나 이상의 컴퓨터 판독가능한 코드 분절 또는 데이터 편집물로서 저장될 수 있으며, 이때 상기 저장매체는 썸드라이브(thumb drive), 하드 디스크, CD/DVD, 또는 장치 자체의 일부인 프로세서 안의 하드 프로그램(hard programmed)을 포함할 수 있다.
본 발명은 1 나노미터 폭부터 1000 나노미터 폭에 이르는 일반적으로 중- 및 근적외선에 있는 파장 밴드폭 중 적외선의 특정 집중된 밴드의 나노미터에서의 특정 파장에서 데이터를 특이적으로 수신하고 기록하는 능력을 구비한다. 시험 샘플에서 복수의 구성성분들을 검출 및 정량하는데에 장점을 갖는 본 발명은, 복수의 다른 적외선의 밴드폭을 수신하고 분석/기록하는 것에 제한되지 않는다. 시험 액체 샘플은 기본적으로 실험실 또는 병원 환경에 있지 않고도 "현미경" 유형 방식으로 시험된다. 또한, GPS 또는 셀룰러-삼각측량(cellular-triangulation)은 장치가 위치 감지(location sensing)/스탬핑(stamping) 및 시간 스탬핑 능력을 갖도록 프로그램화될 수 있다. 또 다른 실시예에 따르면, 장치는 장치에 의해 기록된 스텍트럼 데이터 및 이미지의 위치 감지/스탬핑 및 시간/스탬핑을 가능하게 하거나, 이를 가능하게 하는 장치에 연결된다.
본 발명은 예시의 목적으로만 하기 도면을 참조하여 더 완전히 이해될 것이다.
도 1은 스마트폰과 통합된 분광계를 구비한 본 발명의 예시적 분광 장치를 도시한다.
도 2는 본 발명의 예시적 분광 장치를 도시한다.
도 3은 도 2에 예시된 분광 장치의 내부 디자인의 예시적 측면도를 도시한다.
도 4는 본 발명에 의해 고려된 본광 장치의 또 다른 실시예의 예시적 상면도를 도시한다.
도 5는 도 4에서 예시된 분광 장치의 예시적 측면도를 도시한다.
도 6은 도 4에서 예시된 분광 장치의 예시적 정면도를 도시한다.
도 7은 도 4에서 예시된 분광 장치의 예시적 하면도를 도시한다.
도 8은 본 발명에 따른 예시적 샘플 트레이를 도시한다.
도 9는 스마트 장치에 통합되는 본 발명의 분광 장치의 예시적 정면도 및 측면도를 도시한다.
도 10은 본 발명에 따른 분광계의 양태의 예시적 배열을 도시한다.
도 11은 두 개의 적외선 필터 및 마이크로프로세서를 포함하는 본 발명에 따른 분광계의 양태의 예시적 배열을 도시한다.
도 12는 본 발명에 따른 분광계의 양태의 예시적 배열을 나란한 구성(side-by-side configuration)으로 도시한다.
도 13은 본 발명에 따른 마이크로프로세서와 결합된 분광계의 양태의 예시적 배열을 도시한다.
도 14는 본 발명에 따른 적외선 분광 방법의 예시적 흐름도를 도시한다.
도 15는 물의 근적외선 흡수의 스펙트럼 이미지를 도시한다.
도 16은 타액의 근적외선 흡수의 스펙트럼 이미지를 도시한다.
도 17은 글루코오스의 근적외선 흡수의 스펙트럼 이미지를 도시한다.
도 18은 물의 첨가량을 증가시킴에 따른 아세톤의 근적외선 흡수의 스펙트럼 이미지를 도시한다.
도 19는 0-8%의 수중 에탄올의 근적외선 흡수의 스펙트럼 이미지와 함께 그 데이터로부터 생성된 교정 곡선을 도시한다.
도 1은 스마트폰과 통합된 분광계를 구비한 본 발명의 예시적 분광 장치를 도시한다.
도 2는 본 발명의 예시적 분광 장치를 도시한다.
도 3은 도 2에 예시된 분광 장치의 내부 디자인의 예시적 측면도를 도시한다.
도 4는 본 발명에 의해 고려된 본광 장치의 또 다른 실시예의 예시적 상면도를 도시한다.
도 5는 도 4에서 예시된 분광 장치의 예시적 측면도를 도시한다.
도 6은 도 4에서 예시된 분광 장치의 예시적 정면도를 도시한다.
도 7은 도 4에서 예시된 분광 장치의 예시적 하면도를 도시한다.
도 8은 본 발명에 따른 예시적 샘플 트레이를 도시한다.
도 9는 스마트 장치에 통합되는 본 발명의 분광 장치의 예시적 정면도 및 측면도를 도시한다.
도 10은 본 발명에 따른 분광계의 양태의 예시적 배열을 도시한다.
도 11은 두 개의 적외선 필터 및 마이크로프로세서를 포함하는 본 발명에 따른 분광계의 양태의 예시적 배열을 도시한다.
도 12는 본 발명에 따른 분광계의 양태의 예시적 배열을 나란한 구성(side-by-side configuration)으로 도시한다.
도 13은 본 발명에 따른 마이크로프로세서와 결합된 분광계의 양태의 예시적 배열을 도시한다.
도 14는 본 발명에 따른 적외선 분광 방법의 예시적 흐름도를 도시한다.
도 15는 물의 근적외선 흡수의 스펙트럼 이미지를 도시한다.
도 16은 타액의 근적외선 흡수의 스펙트럼 이미지를 도시한다.
도 17은 글루코오스의 근적외선 흡수의 스펙트럼 이미지를 도시한다.
도 18은 물의 첨가량을 증가시킴에 따른 아세톤의 근적외선 흡수의 스펙트럼 이미지를 도시한다.
도 19는 0-8%의 수중 에탄올의 근적외선 흡수의 스펙트럼 이미지와 함께 그 데이터로부터 생성된 교정 곡선을 도시한다.
본 발명은 휴대용 적외성 분광 방법 및 장치에 관한 것이다. 휴대용 장치는 스마트 장치일 수 있다. 하우징은 적외선 방사체, 하나 이상의 필터, 적외선 수신기를 포함할 뿐만 아니라, 선택적인 데이터 프로세서 및 데이터 전송 특징을 포함하는 분광 기구를 보유한다. 또한, 하우징은 액체 시험 샘플 포트 및 시험 샘플 트레이를 구비한다. 또한, 하우징은 배터리 또는 플러그인 충전 능력을 갖는 다른 전원을 함유할 수 있다. 데이터 전송기는 근거리 통신, Wi-Fi, 블루투스와 같은 무선 통신 네트워크 또는 다른 무선 통신 네트워크와 연과ㄷ되는 무선 통신 장치일 수 있다. 대안으로, 데이터는 USB 연결을 통해 장치에 의해 또 다른 컴퓨터 또는 장치에 전송될 수 있다. 샘플 트레이는 폴리에틸렌 플라스틱, 유리, 플렉시글라스(Plexiglas), 플라스틱과 같은 물질 및/또는 적외선의 스펙트럼에 대해 투명하여 적외선 전달 이후에 트레이 자체가 샘플로부터 수신된 스펙트럼을 방해하지 않도록 하는 임의의 다른 물질로 제작되는 것이 바람직하다. 샘플 트레이는 첨단에서 개구부를 구비하고 다른 말단에 통기구(vent)를 구비하여, 액체는 모세관 작용을 이용하여 트레이 상의 웰 안으로 이동된다.
본 방법에 따르면, 시험될 샘플은 샘플 트레이 안으로 도입된다. 이후에, 트레이는 시험 포트를 통해 분광 장치 안으로 삽입된다. 샘플은 적은, 예컨대 2 마이크로리터로부터 최대 수 미리리터일 수 있다. 적외선 공급원 또는 방사체는, 표준 푸리에변환 적외분광계 또는 다른 상업적으로 구입가능한 적외선 분광계를 이용하여, 샘플을 통해 적외선 빔(beam)을 직접적으로 전하거나, 분광 시스템의 내부 구성에 따라서는(예, 랜즈와 같은 내부-반사 요소가 맞춰져있는 시스템) 반사에 의해 전한다. 하나 이상의 필터는 시험 샘플로부터 예상된 흡수 밴드를 매칭하기 위해 사용될 수 있다. 교정 적외선 방사체 및 교정 적외선 수신기, 및 하나 이상의 교정 필터는 장치가 사용될 때마나 장치를 교정하기 위하여 장치에서 사용된다. 교정 방사체는 샘플을 시험하기 위해 사용되었던 파장과 다른 파장으로 세팅될 수 있다. 적외선은 교정 방사체로부터 샘플(및 임의의 필터)을 통과하여 교정 수신기로 보내진다. 샘플 스펙트럼은 수집되고 교정 스펙트럼 및/또는 알려진 분석물 스펙트럼 데이터에 대해 비교된다. 만일 타액의 샘플이 시험되면, 타액은 많은 다른 화합물의 혼합물이어서, 타액의 적외선 스펙트럼은 개개인 분석물 스펙트럼의 중첩이며 그리고 스펙트럼에서 흡수 밴드의 강도는 구성성분의 농도에 비례한다.
본 발명의 적외선 분광 장치 및 방법은 0 nm 내지 약 15,000 nm 범위의 파장을 갖는 적외선, 더 구체적으로는 약 650 nm 내지 약 15,000 nm 범위의 파장을 갖는 적외선, 더 구체적으로는 약 650 nm 내지 약 3,000 nm 범위의 파장을 갖는 근적외선, 및 약 3000 nm 내지 약 8000 nm 범위의 파장을 갖는 중-적외선을 사용한다. 물은 3000 nm 초과의 파장을 강력히 흡수하여서, 3000 nm 미만에서 측정될 수 있는 구성성분을 측정하는 경우에, 650 내지 3000 nm의 근적외선 범위가 자주 채용된다.
수용액에 대하여, 적외선 방사체로부터 샘플로의 최적의 거리 또는 경로 길이는 약 0.5-2.5 mm이며, 더 구체적으로는 약 0.75-1.5 mm이며, 더 구체적으로는 약 0.5-1.0 mm이라는 것이 밝혀져서, 본 발명의 일 실시예에 따르면 시험될 샘플이 적외선 방사체 및 수신기에 매우 인접하여 샘플 트레이 상에 위치될 것이다. 샘플은 방사체 및 수신기 사이에 위치될 수 있거나, 반사 구성은 적외선이 반사되어 샘플을 통과하고 방사체와 동일 선상에 위치하지만 샘플 및 샘플 트레이의 반대에 위치한 수신기로 이동되도록 사용될 수 있다. 본 장치 및 방법에서 사용된 분광계의 일부로서 존재하는 소프트웨어는, 시험 샘플로부터의 스펙트럼 파장 데이터를 스펙트럼 이미지를 포함하여 정량적 및 정성적 데이터로 번역하기 위해 사용되며, 이때 상기 데이터는 기준 데이터에 비교하고 시험 샘플 중에 성분 및 화합물의 존재를 식별하기 위하여 사용된다. 이후에, 생성된 정보, 정량적 및 정성적 데이터 및 이미지는 하나 이상의 장치 또는 추가적인 처리, 분석, 모니터링, 또는 기록보관을 위한 위치로 전송될 수 있는데, 바람직하게는 무선으로 전송될 수 있다.
이제 도면을 살펴보면, 도 1은 스마트 장치에 통합된 분광 장치의 일 실시예를 예시적으로 나타내며, 더 구체적으로는 이런 실시예는 스마트폰(1)을 보여주며, 그리고 내부 액체 시험 포트(도 1에 미도시)를 위한 입구를 형성하는 용액통(solution receptacle)(3)을 구비한 창(2), 적외선을 샘플을 통과해서(도 1에 미도시) 적외선 수신기(6)(스마트폰(1) 내부에서 발생하는 단계 및 양태)를 향해서 적외선 방사체(5)로부터 반사시키는데 사용되는 렌즈(4)를 포함한다. 도 1에 도시된 본 발명의 실시예는 데이터 프로세서(7), GPS 유닛(8), 및 데이터 전송기/수신기(9)도 포함하지만, 스마트폰(1)에서 이러한 특정 특징의 교체는 스마트폰(1)의 디자인에 의존할 것이며; 도 1에 도시된 것은 단지 예시적인 것이고, 본 발명의 범위를 한정하지 않는다.
도 2a, 2b 및 2c는 본 발명, Generation Two 장치(10)의 휴대용 장치의 또 다른 실시예의 다른 시점을 도시한다. 이런 실시예는 작고, 이동성이고 "규브" 형상이고 이들의 치수는 폭 약 2.4 인치, 길이 약 2.8 인치, 높이 약 2.8 인치일 수 있다. 물론, 이러한 치수는 단지 예시적인 것인 바, 본 발명의 범위를 한정하지 않는다. 도 2a는 Generation Two 장치(10)의 측면도를 제공하는데, Generation Two 장치(10)의 작동 도중이기 때문에, 적외선이 샘플 트레이(14) 상의 액체 샘플 전부 또는 일부를 통과하여 전달되도록 적외선 방사체(5) 및 적외선 수신기 사이에서 액체 시험 포트(15) 내에 샘플 트레이(14)가 전략적 배열로 배치된 것을 보여준다. 적외선 방사체(5)는 분광계 방사체 디지털 보드(spectrometer emitter digital board)(16)의 일부이고, 적외선 수신기(6)는 분광계 수신기 디지털 보드(spectrometer receiver digital board)(17)의 일부이다. 도 2b는 Generation Two 장치(10)의 정면도를 제공하며, 시험 포트(15)를 보여준다. 도 2c는 Generation Two 장치(10)가 액체 시험 포트(15), 방사체 디지털 보드(16), 및 수신기 디지털 보드(17)를 보유하는 외부 하우징(11)을 포함한다. 디지털 보드들(16, 17)은 마이크로프로세서 및 본원에서 논의된 본 발명의 다양한 양태들을 보유할 수도 있다.
도 3은 본 발명의 예시적 실시예의 내부 개략도를 도시하며, 구체적으로는 본 발명에 의해 고려된 휴대용 장치들 중 하나의 일부로서 내부적으로 구동될 분광계(22a)의 일 배열을 도시한다. 이 도면은 적외선 방사체(5) 및 교정 적외선 방사체(18)을 보유하는 방사체 디지털 보드(16)을 특징으로 한다. 결합형 밴드 여과 필터(19)를 구비한 적외선 수신기(6)는 적외선 방사체(5)를 직접적으로 마주보고 위치한다. 수신기 디지털 보드(17)에 결합된, 결합형 교정 밴드 여과 필터(21)를 구비한 교정 적외선 수신기(20)는 교정 적외선 방사체(18)를 직접적으로 마주보고 위치한다. 방사체 디지털 보드(16) 및 수신기 디지털 보드(17) 유닛 사이에는, 액체 시험 포트(15)에서 작동가능하도록 위치되는 제거가능한 트레이로서 도시된 샘플 트레이(14)가 있다.
도 4는 본 발명에 따른 Generation Three 장치(23)의 일 실시예의 예시적 상면도이다. 이 실시예는 작고, 이동성이며, 컴퓨터 마우스 형상이고, 치수가 폭이 약 1.5인치이고, 길이가 약 2.5 인치이고, 높이가 약 0.5 인치 만큼 작을 수 있다. 이 도면에서 도시된 샘플 트레이(14)는 깊이 약 0.039 인치(1 mm) 및 폭 약 0.394 인치(10 mm) 만큼 작을 수 있다. 물론, 이러한 크기는 예시적일 뿐이고, 따라서 본 발명의 범위는 제한되지 않는다. 이 도면은 온/오프 버튼(24), 시험/발송 버튼(25), 스펙트럼 데이터 및/또는 이미지의 표기를 위한 표시 스크린(26)을 도시한다. Generation Three 장치(23)의 양 측 상에는 손잡이(27)가 있고, Generation Three 장치(23) 안으로 슬라이드식으로 어느정도 들어가는 샘플 트레이(14)가 도시된다.
도 5는 Generation Three 장치(23)의 예시적인 측면도이다. 이 측면도는 액체 시험 포트(15)의 대항측 상에 분광계 방사체 디지털 보드(16) 및 수신기 디지털 보드(17)의 배열을 도시하는데, 이러한 배열은 샘플 트레이(14)가 포트(15) 안으로 슬라이드식으로 끼어지고 장치가 작동하는 경우에 적외선이 샘플 트레이(14) 상의 샘플을 통하여 이동하도록 묘사된다. 이 도면은 Generation Three 장치(23) 상에 배터리(28), 배터리 재충전 연결부(29), USB 연결 포트(30), 및 표시 스트린(26)의 임의적 위치를 도시한다.
도 6은 Generation Three 장치(23)의 예시적 정면도를 도해한다. 이 도면은, 액체 시험 포트(15)에서 샘플 트레이(14)를 구비한 도 5에서 묘사된 구성에서 온/오프 버트(24), 시험/발송 버튼(25), 방사체 디지털 보드(16) 및 수신기 디지털 보드(17)의 임의적 배열을 묘사한다.
도 7은 샘플 트레이(14)에 대한 배터리 문(31)의 임의적 배치를 도해하는 Generation Three 장치(23)의 예시적 하면도이다.
도 8은 본 발명에 따른 샘플 트레이(14)의 일 실시예를 도해한다. 샘플 트레이(14)는 모세관 작용을 이용하여 트레이 상으로 시험될 샘플을 나르는 샘플 흡수 개구부(32)를 구비한다. 샘플 트레이 제거 통기구(33)는 샘플 트레이(14)의 흡수 개구부로부터의 원위단에서 충전을 가능하게 한다. 바람직하게는, 샘플 트레이(14)는 폴리머 또는 천연 소수성인 다른 물질로 구성되어, 플라즈마 기반 공정이 샘플 흡수 웰(34) 안으로 액체의 이동을 가능하게 하기 위하여 사용될 것이다. 샘플 흡수 웰(34)은 샘플을 보유하고 샘플의 적외선 분석을 위한 안정한 저장소를 제공한다.
도 9a 및 9b는 본 발명의 실시예에 따른 스마트 장치(35)의 정면도 및 측면도를 도해한다. 샘플 트레이(14)는 스마트 장치(15)에 슬라이드식으로 들어가고 나온다. 도 9b는 스마트 장치(35) 내부의 분광기 구성성분인 적외선 방사체(5), 적외선 수신기(6) 및 두 개의 밴드 여과 필터(19)의 예시적 배열을 도해한다. 도면 9a 및 9b는 예시적 데이터 송신기/수신기 유닛(9) 및 내부 데이터 프로세서(7) 및 GPS 유닛(8)도 보여준다.
하나 이상의 적외선 필터(19)는 (용액 트레이, 용액 용기, 타액 용액 트레이, 또는 삽입 트레이로도 불릴 수 있는) 샘플 트레이(14)에 직접적으로 추가될 수 있거나(예, 그의 일부로서 형성됨), 샘플 트레이(14)에 매우 근접한 위치에 추가될 수 있다. 샘플 트레이(14)는 액체 샘플 포트(15)에 관하여 이동할 수 있지만, 스마트폰(1), Generation Two 장치(10), Generation Three 장치(23) 또는 스마트 장치(35)에 탈착될 수 있거나 결합되어 있을 수 있다. 샘플 트레이(14)는 플라스틱, 유리, 플렉시 유리(Plexiglas), 및/또는 트레이 자체가 IR 시험을 간섭하지 않도록 적외선의 스텍트럼에 대해 투명한 임의의 다른 물질로 만들어진다. 일 실시예에 따르면, PSA 개스킷(gasket)은 흡수 웰(34)을 형성하는 채널을 정의하도록 사용될 수 있고, 폴리머 필름의 시트는 흡수 웰(34)을 보전하는 폐쇄된 원통형 채널을 형성하기 위하여 사용될 수 있다. 샘플 흡수 웰(34)의 높이는 20 마이크론으로부터 최대 250 마이크론까지의 범위일 수 있다. 시험될 액체의 양은 2 마이크로리터로부터 최대 100 마이크로리터까지의 범위일 수 있다. 샘플 흡수 웰(34)의 폭은 2 mm로부터 최대 10 mm의 범위에서 변화할 수 있다. 샘플 트레이(14)는 폭이 5 mm 내지 최대 20 mm의 범위일 수 있고, 길이는 1 cm 내지 최대 6 cm 범위일 수 있다. 샘플 트레이(14)의 높이는 0.5 mm 내지 3 mm의 범위일 수 있다. 이러한 크기는 예시적인 것이고, 장치의 흡수 웰(34), 샘플 포트(15), 및 다른 특징들은 적합하도록 적절히 변형될 수 있고, 본 발명에 따른 Generation Two 장치(10), Generation Three 장치(23), 스마트폰(1), 또는 스마트 장치(35)를 포함하여(이에 제한되지 않음) 본 발명의 임의의 실시예와 함께 작동할 수 있다.
도 10은 도 1 내지 9에서 표사된 것들을 포함하여(이에 제한되지 않음) 본 발명의 실시예에서 사용될 수 있다는 분광계(22b)의 직렬 배열을 도해한다. 적외선 분광계(5)로부터의 광자는 적외선 필터(19)를 통과하고, 이후에 용액 트레이(14), 제2 적외선 필터(19)를 통과하고, 적외선 수신기(6) 상으로 전달된다.
도 11은 적외선 방사체(5) 및 적외선 수신기(6) 각각에 작동가능하도록 결합된 데이터 프로세서(7)를 포함하는 분광계(22c)의 직렬 배열을 도해한다. 이런 분광계(22c)에서, 광자는 적외선 방사체(5)로부터 적외선 필터(19)를 통과하고, 이후에 용액 트레이(14), 제2 적외선 필터(19)를 통과하여 적외선 수신기(6) 상으로 전달된다.
분광계(22d)의 다른 나란한(side-by-side) 배열은 도 12에서 보여진다. 적외선 방사체(5) 및 적외선 수신기(6)는 나란한 구성에 있다. 적외선 방사체(5)로부터의 광자는 적외선 필터(19)를 통과한 후, 어떤 각도로 튕겨 내보내는 용액 트레이(14) 상의 샘플을 통과한 뒤, 적외선 필터(16)을 통과하고, 적외선 수신기(6) 상으로 전달된다. 도 13은 분광계(22e)의 또 다른 나란한 배열을 도해하는 것으로, 여기서 데이터 프로세서(7)는 적외선 방사체(5) 및 수신기(6) 각각에 작동가능하도록 연결된다. 도 13에서의 분광계(22e) 배열은 '온-칩(on-chip)' 분광 시스템으로도 불릴 수 있는 것을 묘사한다. 도 13에서 적외선 방사체(5)로부터의 광자는 도 12에서와 유사한 반사 방식으로 적외선 수신기(6)로 이동한다.
본 발명에 의해 고려된 휴대용/스마트 장치들 중 하나 안으로 통합된 도 3, 10, 11, 12 및 13에서 보여진 분광계 시스템들(22a, 22b, 22c, 22d 또는 22e) 중 어느 것에 매우 근접한 곳에서 슬라이드형 샘플 트레이(14)의 독특한 조합은 샘플의 정밀한 야외 적외선 분광 시험에 대한 신속하고 효율적인 해결책이다. 적외선 분광학 분야의 통상의 기술자에 의해 자명할 수 있지만, 도 13에서 보여지는 바와 같이 분광 시스템(22e)의 온-칩 겹합의 추가적인 이점은, 분광 시스템 구성성분의 외부적 수정 대신에 온-칩 상의 다른 구성성분의 조정 또는 이동을 통해 종래의 복사광 판독 및 분광 촬상(imaging)을 전환하는 시스템의 능력이다.
도 10 내지 13에서 묘사된 바와 같은 적외선 방사체(5) 및 적외선 수신기(6)는 교정 방사체(18), 교정 수신기(19)를 구비할 수 있고, 교정 방사체(18) 및 교정 수신기(19)는 사용 도중에 장치를 교정하기 위한 교정 밴드 여과 필터(21)을 구비할 수 있다.
도 14는 본 발명의 방법의 예시적인 흐름도를 제공한다. 분광 장치는 스마트 장치에 통합되거나 스마트 장치에 무선으로 연결되어, 무선 연결이 설정되고 무선 데이터 송신이 가능해질 것이다(100). 샘플은 샘플 트레이 상의 액체 시험 포트에 배치되고 처리되는데(101), 이때 적외선 방사체는 적외선이 액체 샘플을 통과하도록 발산하고, 적외선 수신기는 샘플에 의해 흡수된 적외선의 파장과 연관된 데이터를 수신하고 기록한다. 적외선 수신기와 연관된 프로세서는 데이터 기록을 작성하고 데이터를 가공하는데, 여기서 가공은 데이터 기록을 추가적인 위치 및/또는 시간 정보로 표지하는 것을 포함할 수 있다(102). 데이터 기록은 정보, 추가적인 분석, 처리, 모니터링, 기록보관 등을 위해 무선 통신할 수 있는 하나 이상의 외부 장치(37)에 무선 통신을 통하여 전송된다(103). 분광 장치의 무선 능력으로 인하여, 샘플을 시험하는 과정 중 어느 시점에서도, 무선 통신이 장치에 전송되고, 장치로부터 다른 컴퓨터 또는 다른 장치로 전송될 수 있다. 예를 들어, 분광 장치는 위치, 시간, 분광 교정 데이터. 및 환자 데이터에 대하 다른 장치에 문의할 수 있다. 추가적으로, 분광 장치는 저장을 위해, 예컨대 '클라우드' 저장 위치에 데이터를 전송할 수 있다.
도 15는 물의 근적외선 스펙트럼의 이미지를 묘사한다. 물은 1.45 및 1.95nm에서 두드러진 밴드를 보이며; 근적외선 스펙트럼 영역의 상부 말단인 2.9 nm 근방에서 추가적인 밴드가 존재한다. 그 밴드의 단파장 꼬리만이 도 15에서 보여진다. 이는 본 발명의 분광 장치 및 방법을 사용하여 생성될 수 있는 일종의 스펙트럼 이미지 및 데이터의 예시이다.
도 16은 물 내에서 HSA(인간 혈청 알부민)의 근적외선 흡수 스펙트럼의 이미지를 묘사한다. 타액의 근적외선 스펙트럼은 작은 분자의 흡수 밴드에 영향을 미칠 수 있는 단백질의 농도에 변화를 고려하여야만 한다. 도 16에 따르면, HSA 흡수는 약 1650-1750nm 및 약 2150-2350nm 범위에서 발생한다. 다른 단백질들은 약간 다른 근적외선 스펙트럼을 가질 것으로 예상될 것이지만, HSA는 타액에서 단백질이 미치는 영향에 대한 좋은 모델이다. 타액 중에 물이 약 3000nm를 강하게 흡수하기 때문에, 이 시험을 위해서는 3000nm 미만의 파장이 좋은 옵션이다. 이 도면은 본원발명에 의해 생성될 수 있는 일종의 스펙트럼 이미지 및 데이터의 다른 예시이다.
도 17은 글루코오스의 근적외선 흡수 스펙트럼의 이미지를 묘사한다. 글루코오스의 검출은 임상 화학에서 가장 광범위하게 연구된 목표들 중 하나를 대표한다. 이 영역에서 근적외선과 관련한 꽤 많은 양의 연구가 이루어져왔다. 이 영역에서 대부분의 연구는 반사율 측정(및 특히 글루코오스의 경피적 측정)을 수반한다. 도 17은 2.05 내지 2.40nm에서 글루코오스의 근적외선 스펙트럼을 보이며; 2.27nm에서의 밴드는 정량적 분석을 위한 최고의 선택인 것으로 보였다. 2.30nm 근처에서의 기준선은 이 밴드에 대해 사용되어야 한다.
도 18은 적상으로 첨가하는 물의 양을 증가시키면서 아세톤의 근적외선 흡수 스펙트럼의 이미지를 묘사한다. 아세톤은 수성 환경 중에서 검출을 위해 잠재적으로 사용될 수 있는 근적외선 스펙트럼 밴드를 보여준다. 도 18에서의 스펙트럼이 좋은 기준선 지점을 보이지 않지만, 1.72nm 근처를 기준선 지점으로 사용하는 것이 가치있을 것이다. 아세톤 농도의 정량에 가치있을 수 있는 다른 스펙트럼 밴드(예, 1.17nm 근방)가 있다. 이 밴드에 대하여, 1.10nm에서의 기준선 지점은 적합할 것이다. 그러나, 지질 및 지방산은 1.165 및 1.21nm 근방의 흡수 밴드를 갖기 때문에, 이 밴드는 1.672nm에서의 밴드에 대한 2차 옵션으로 보아야 할 것이다.
도 19는 물 중에 에탄올(0~8%)의 근적외선 흡수 스펙트럼의 이미지와 함께 이런 데이터로부터 생성한 교정 곡선을 묘사한다. 에탄올은 수성 환경 중에서 검출하기 위해 잠재적으로 사용될 수 있는 근적외선 스펙트럼 밴드를 보여준다.
본 발명에 의해 고려된 일 예시에 따르면, 근적외선 분광법은 혈청 내 분석물의 흡수를 평가하기 위하여 사용될 수 있다. 혈청 내 일차적 분석물은 글루코오스, 총 단백질, 알부민, 트리글리세리드, 요소 및 콜레스테롤이다. 글루코오스의 스펙트럼 범위, 예컨대 근적외선 분광법에 의해 측정된(그리고 표준 시료와 비교) 스펙트럼의 범위는 보통 약 2062-2353nm이다. 본 발명의 방법에 따르면, 혈청(액체) 샘플은 휴대용 적외선 분광계 장치의 시험 샘플 포트 안으로 슬라이드식으로 삽입되는 샘플 트레이 상에 위치된다. 적외선은 매우 근접한 위치에서 샘플을 통과하여 혈청 성분에 대한 스펙트럼 데이터를 생성하며, 이런 데이터는 샘플에 의해 흡수된 적외선의 파장(그리고, 반대로, 샘플을 통과한 파장)에 기초하여 생성된다. 적외선 분광계는 데이터를 수신하고, 프로세서는 데이터를 최적의 스펙트럼 파장 흡수 밴드 또는 영역에 기반하여 샘플 중에 성분을 식별하고 정량하는 스펙트럼 데이터 및/또는 이미지로 처리한다. 예를 들어, 요소에 대한 최적의 범위는 1324 내지 1800nm 및 2304 내지 2370nm 범위의 조합이며; 트리글리세리드에 대한 최적의 범위는 1635-1800nm 및 2035-2375nm이며, 이러한 범위는 이러한 밴드 범위 중에 적외선 파장 흡수를 기록함으로써 식별되고 정량될 것이다.
또 다른 예시에서, 당뇨병을 앓는 환자는 정기적인 모니터링 또는 긴급 시험을 위한 글루코오스 시험이 필요할 수 있다. 글루코오스는 타액으로부터 검출될 수 있다. 타액의 샘플은 샘플 트레이 상에 신속하고 쉽게 배치될 수 있고, 본 발명에 따른 휴대용 장치에서 샘플 포트 안으로 삽입된다. 적외선 스펙트럼은 푸리에 변환 적외선 분광계(Perkin-Elmer, Fremont, CA)를 사용하는 분광계에 의해 기록된다. 강한 적외선 스펙트럼 밴드는 타액 중에 지질 그룹을 강조하는 약 2850cm-1 및 2925cm-1에서 기록된다(측정값으로 파장 대신에 파수가 사용됨). 두 개의 두드러진 아미드 흡수는 1655cm-1 및 1545cm-1에서 기록된다. 글루코오스는 950 내지 1180cm-1에서 검출된다. 타액 중에 함유된 상이한 성분들에 의해 흡수피크의 겹침이 발생되기 때문에, 산업에서 일반적인 분석 방법을 사용하는 분광계 및 마이크로프로세서는 밴드폭의 겹침을 좁힐 수 있고, 타액 중에 성분들에 의해 측정된 흡수대와 이미 알고 있는 흡수 밴드폭 사이에 관계를 제공한다 - 이는 타액 중에 분석물의 성질을 식별하는 정성적 결과, 특히 글루코오스에 대한 소정의 정성적 결과를 제공한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 적외선 스펙트럼은 약물(예, 코카인)과 같은 용액 중에 분석물들에 대하여 중-적외선 범위에서 기록된다. 타액 샘플은 샘플 트레이 상에 놓고, 장치 안으로 삽입하고, 소형 푸리에 변환 적외선 분광계는 샘플 트레이 상의 샘플을 통과하여 근적외선을 전달하고, 약물(이 경우네는 코카인)에 대하여 1760 내지 1710cm-1의 좁고 이상적인 스펙트럼 범위 내에서의 측정이 수행된다. 특정 적외선 밴드폭 필터는 사용된 스펙트럼 범위를 좁게 만드는데 사용되어 타액 샘플 중에 코카인을 식별하고 정량하는데에 사용될 수 있다. 이 방법은 길가 DUI 스탑(stop)에서 발생될 수 있는 샘플 추출의 시점에서 스펙트럼 분석을 가능하게 한다.
또 다른 실시예에 따르면, 타액 분석은 신체적 스트레스, 예컨대 운동 및 스포츠에 대응하여 존재 및/또는 변화하는 성분들을 평가하기 위해 수행된다. 본 발명의 적외선 분광계 장치는 정신적 및 신체적 스트레스를 평가하기 위하여 운동선수 타액의 샘플 분석의 관점에서 야외용으로 매우 유용하다. 분비형 면역글로불린 A(sIgA)는 최초 운동시의 면역 반응을 연구하기 위해 종종 사용된다. 타액에서 검출될 수 있는 신체적 스트레스를 평가하는데 유용한 추가적인 생물표지는 알파-아밀라아제 및 코르티졸이다. 이러한 생화학적 성분은 중-적외선 영역(약 4000 내지 약 700cm-1)에서 식별되며, 푸리에 변환 적외선 분광법은 이러한 생물표지를 식별하고 정량하기 위해 사용될 수 있다. 본 방법에 따르면, 적은 타액 샘플이 샘플 트레이 상에 배치되고, 트레이는 휴대용 장치 중에 포트 안으로 슬라이드식으로 삽입되고, 샘플은 중-적외선으로 조사되고, 적외선 분광계에서 수신 유닛에 의해 수신된 흡수 밴드 및 상기 스펙트럼 파장 데이터는 교정 모델과 비교되어 생물표지 수준을 식별하고 정량한다. 데이터는 장치에서 표시될 수 있고/있거나 추가적인 분석, 질병 진단(다른 진단 도구를 이용함) 등을 위한 하나 이상의 외부 장치, 컴퓨터 등에 무선으로 전송될 수 있다. 이 시험은 훈련시설, 운동 경기장, 체육관, 라커룸 등에서 일어날 수 있다.
데이터 분석 및 전송과 관련하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 스펙트럼 이미지 및 데이터는 셀룰러 또는 위성 전화기, 인터넷 링크, 또는 다른 장치에 대한 또 다른 전기통신 양상을 통해 전송되는 것이 바람직하고, 이와 유사하게, 데이터는 하나 이상의 다른 장치들로부터 분광 장치로 전송될 수 있다. 데이터는 처리된 스펙트럼 이미지, 및/또는 사용자/환자/환경 샘플 식별자, 예컨대 이름, 샘플 번호, 샘플 유형, 일시, 시간, 위치 등을 포함하거나 하지 않을 수 있다. 대안으로, 전체 처리된 이미지/데이터의 작은 영역은 참고를 위해 전송되지만, 전체 이미지/데이터가 전송되지는 않는다(예, 장치 간에 전송된 데이터 패키지의 크기를 줄이기 위한 목적(이에 제한되지 않음)). 데이터는 나중에 내부 또는 외부 종점에 업로드하기 위하여 분광 장치 상에 저장될 수 있다. 데이터는 인접한 컴퓨터, 스마트 장치, 데이터 저장 기계 또는 다른 종점에 대한 무선 통신에 의해 전달될 수 있다. 데이터 및 이미지는 사용자/환자/환경 데이터 보호를 위해 암호화될 수 있으며, 이때 암호화는 장치를 사용하는 사용자 또는 조직용 공개 키(public key)를 사용할 수 있다. 새로운 샘플 시험 이전에 초기 기록 정보가 기록된 후, 추가적인 사용자/환자/환경 데이터는 전기통신 링크를 통해 다운로드될 수 있다. 이미지/데이터의 원격 전송의 관점에서, 본 발명은 본원에서 고려된 프로세서에 의해 수행될 수 있는 하기 양태들을 고려한다: (a) 이미지/데이터에 글자, 그림 또는 그래픽으로 추가적인 주석을 다는 것 , (b) 분광 시스템과 통합된 스마트폰 또는 스마트 장치에 전송된 다른 이미지에 데이터를 결합시키는 것(예, 사용자/환자/환경 정보, 진단, 위치 정보, 시간 정보, 메시징, 광고 정보, 경고, 또는 다른 내용 등), 및 (c) 질병 진단, 물질 안정성, 환경 분석 등을 위해 이미지/데이터를 더 처리하는 것.
분광 시스템의 사용자는 위치-특이적 프롬프트(location-specific prompts), 예를 들어 지역 환자의 데이터베이스로부터 환자 기록을 선택하기 위한 프롬프트(이에 제한되지 않음) 및/또는 다른 시험을 위하여 근거리에 있는 환자로부터의 데이터를 찾거나 수집하기 위한 프롬프트이 제공될 수 있다. 이런 프롬프트 능력은 건강 및 안전 모니터링에 대하여 인간, 동물, 식물 또는 환경 조건의 일시 민감성 분석을 가능하게 한다. 일 실시예에 따르면, 분광 장치는 표준 또는 모바일 웹 브라우징 능력을 위해 준비된다.
이동성과 관련하여, 몇몇 인자들은 이동용 장치로서 분광 시스템이 더 유용해지도록 만드는데에 기여한다: 조명을 위하여 적외선-발광 다이오드의 사용(고전압에 대한 필요성을 없앰), 독립형의 컴퓨터 운영 시스템에 대한 필요성을 없애기 위하여 저 전압 내장형 전산 시스템의 사용; 액체/용액 분석을 위하여 저 전압의 적외선 방사체 및 수신기의 사용. 또한, 시스템의 저-전압 성질은 전력망에 연결함 없이 긴(몇 시간) 기간 동안 작동하도록 디자인된 시스템에서 적은 배터리 무게를 가능하게 한다. 배터리는 1회용 또는 충전용일 수 있다. 스마트폰 또는 장치 또는 다른 이동가능한 휴대용 장치를 사용하는 이런 분광 시스템를 제조함으로써, 분광 시스템의 크기는 병원 또는 실험실 세팅에서 현재 사용되는 고정밀 분광 기계보다 작아진다.
본 발명의 분광 시스템 및 방법에 대해 고려된 용도는 다음을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다: 원격 또는 '야외' 의료 평가, 치료, 건강 모니터링, 약물 검출 및 농도 모니터링(예, 리튬 농고, 데파코테(Depakote) 농도, 디곡신(Digoxin)농도 등), 약물 중독 검사(예, 개인, 운동 선수 모니터링, 사법/재판으로 위임된 약물 검사 등), 죽음, 장애 또는 건강 보험 검사, 또는 다른 약물 모니터 프로그램. 이러한 용도들 중 일부는 생물학적 또는 화학적 분석를 더 포함하며, 다음에 제한되지 않지만, 예컨대 혈액학적 분석, 혈구 수치 검사, 면역학적 분석, 호르몬 분석, 조직 샘플 형태학 또는 병리학의 시험 또는 기록, 혈액, 요소, 타액, 체액, 전염성 유체, 암 유체(cancerous fluids), 신체의 부산물, 독소, 또는 다른 생물학적 매체 분석. 장치 및 방법은, 예컨대 박테리아에 대한 표면 또는 생명체에 의해 소모된 음식 또는 다른 제품의 오염의 검사를 위하여 음식 서비스 환경에서 건장 또는 안전을 모니터링하기 위한 것의 일부로서 사용될 수 있다.
본 발명의 추가적인 응용은, 조성 분석 및 미생물 및/또는 오염물 등의 모니터링을 위하여, 모래 또는 고인물, 연못, 강, 호수, 바다와 같은 물 샘플과 같은 환경 샘플의 분석을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다.
본 발명은 예시적 방식으로 설명되었고, 본원에서 사용된 용어는 본 발명의 범위를 제한하도록 의도되지 않고 단지 본 발명의 실시예의 예시를 제공하기 위함이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 다른 실시예를 완전히 포함하고, 구체적으로 설명된 바와 다르게 실시될 수 있다는 것이 자명할 것이다. 단수로 표현된 구성은 특별히 제시되지 않는 한 "하나 및 단지 하나"를 의미하는 것이 아니고, "하나 이상"을 의미하는 것이다.
Claims (34)
- 적외선 범위의 광의 파장을 방출하는 적외선 공급원,
적외선 공급원과 근접하게 연관되고, 액체 샘플을 수용하기 위한 샘플 트레이 및 액체 샘플 시험 포트,
액체 샘플에 의한 적외선 흡수의 주파수의 스펙트럼을 기록하기 위한 적외선 수신기, 및
액체 샘플에서 하나 이상의 화합물의 농도를 스펙트럼 데이터 및/또는 이미지의 형태로 검출하고 정량하기 위해 적외선 수신기에 연결된 데이터 프로세서
를 포함하고,
상기 적외선은 샘플 트레이 상의 샘플의 전부 또는 일부를 통과하는 것을 특징으로 하는 휴대용 분광 장치. - 제 1 항에 있어서,
적외선 범위는 약 650nm 내지 약 15000nm의 파장 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 휴대용 분광 장치. - 제 1 항에 있어서,
적외선 범위는 약 650nm 내지 약 3000nm의 근적외선 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 휴대용 분광 장치. - 제 1 항에 있어서,
적외선 범위는 약 3000nm 내지 약 8000nm의 중-적외선(mid-IR) 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 휴대용 분광 장치. - 제 1 항에 있어서,
적외선 공급원, 수신기, 또는 둘 모두에 매우 인접한 위치에 하나 이상의 적외선 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 분광 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 휴대용 분광 장치는 무선 통신 장치인 것을 특징으로 하는 휴대용 분광 장치. - 제 1 항에 있어서,
적외선 교정 방사체 및 적외선 교정 수신기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 분광 장치. - 제 7 항에 있어서,
교정 적외선 방사체, 교정 적외선 수신기, 또는 둘 모두에 매우 인접한 위치에 하나 이상의 적외선 교정 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 분광 장치. - 제 1 항에 있어서,
샘플 트레이는 장치로부터 탈착가능한 것을 특징으로 하는 휴대용 분광 장치. - 제 1 항에 있어서,
스펙트럼 데이터 및/또는 이미지를 표시하기 위한 표시부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 분광 장치. - 제 1 항에 있어서,
스펙트럼 데이터 및/또는 이미지를 컴퓨터, 휴대용 장치, 스마트 장치 또는 스펙트럼 데이터 및/또는 이미지를 수신하기 위한 다른 수단에 전송하기 위한 데이터 송신기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 분광 장치. - 제 1 항에 있어서,
액체 샘플은 체액을 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 분광 장치. - 제 12 항에 있어서,
체액은 혈액, 요소, 또는 타액을 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 분광 장치. - 액체 샘플 중에서 하나 이상의 화합물의 농도를 결정하는 방법에 있어서, 상기 방법은:
액체 샘플을 샘플 트레이 상에 위치시키는 단계;
적외선 분광계를 함유하는 휴대용 장치에 내장된 샘플 시험 포트에 샘플 트레이를 삽입하는 단계;
적외선을 샘플에 조사하는 단계;
적외선 흡수의 주파수의 스펙트럼을 기록하는 단계, 및
샘플 적외선 흡수에 기초하여 액체 샘플 중에서 하나 이상의 화합물의 존재 또는 농도를 결정하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 샘플 중에서 하나 이상의 화합물의 농도를 결정하는 방법. - 제 14 항에 있어서,
조사된 적외선은 약 650nm 내지 약 15000nm의 파장 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 액체 샘플 중에서 하나 이상의 화합물의 농도를 결정하는 방법. - 제 14 항에 있어서,
조사된 적외선은 약 650nm 내지 약 3000nm의 근적외선 파장 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 액체 샘플 중에서 하나 이상의 화합물의 농도를 결정하는 방법. - 제 14 항에 있어서,
조사된 적외선은 약 3000nm 내지 약 8000nm의 중-적외선 파장 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 액체 샘플 중에서 하나 이상의 화합물의 농도를 결정하는 방법. - 제 14 항에 있어서,
휴대용 장치의 교정을 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 샘플 중에서 하나 이상의 화합물의 농도를 결정하는 방법. - 제 14 항에 있어서,
휴대용 장치 상에 스펙트럼 데이터 및/또는 이미지로서 하나 이상의 화합물의 존재 또는 농도를 표시하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 샘플 중에서 하나 이상의 화합물의 농도를 결정하는 방법. - 제 14 항에 있어서,
하나 이상의 화합물의 존재 또는 농도를 무선 통신 네트워크를 통해 하나 이상의 다른 장치로 송신하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 샘플 중에서 하나 이상의 화합물의 농도를 결정하는 방법. - 적외선 분광법을 이용하여 체액 중에 하나 이상의 화합물의 농도를 결정하는 방법에 있어서, 상기 방법은:
체액의 샘플을 샘플 트레이 상에 배치하는 단계;
적외선 분광계를 함유하는 휴대용 장치에 내장된 샘플 시험 포트에 샘플 트레이를 삽입하는 단계;
적외선을 샘플에 조사하는 단계;
샘플에 의해 흡수된 적외선의 결과로서 적외선의 파장을 검출하는 단계,
샘플에 의한 적외선 흡수의 주파수의 스펙트럼을 기록하는 단계, 및
샘플에 의한 적외선 흡수의 주파수의 스펙트럼을 휴대용 장치로부터 무선 통신 네트워크를 통해 하나 이상의 다른 장치로 전송하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 분광법을 이용하여 체액 중에 하나 이상의 화합물의 농도를 결정하는 방법 - 제 21 항에 있어서,
체액은 혈액, 요소 또는 타액인 것을 특징으로 하는 적외선 분광법을 이용하여 체액 중에 하나 이상의 화합물의 농도를 결정하는 방법 - 제 21 항에 있어서,
조사된 적외선은 약 650nm 내지 약 15000nm의 파장 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 적외선 분광법을 이용하여 체액 중에 하나 이상의 화합물의 농도를 결정하는 방법 - 제 21 항에 있어서,
조사된 적외선은 약 650nm 내지 약 3000nm의 근적외선 파장 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 적외선 분광법을 이용하여 체액 중에 하나 이상의 화합물의 농도를 결정하는 방법 - 제 21 항에 있어서,
조사된 적외선은 약 3000nm 내지 약 8000nm의 중-적외선 파장 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 적외선 분광법을 이용하여 체액 중에 하나 이상의 화합물의 농도를 결정하는 방법 - 제 21 항에 있어서,
휴대용 장치를 교정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 분광법을 이용하여 체액 중에 하나 이상의 화합물의 농도를 결정하는 방법 - 제 21 항에 있어서,
휴대용 장치 상에 스펙트럼 데이터 및/또는 이미지로서 하나 이상의 화합물의 존재 또는 농도를 표시하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 분광법을 이용하여 체액 중에 하나 이상의 화합물의 농도를 결정하는 방법 - 제 21 항에 있어서,
하나 이상의 화합물의 존재 또는 농도를 무선 통신 네트워크를 통해 하나 이상의 다른 장치로 존송하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 분광법을 이용하여 체액 중에 하나 이상의 화합물의 농도를 결정하는 방법 - 액체 샘플 중에서 하나 이상의 성분들을 검출 또는 정량하기 위해서 적외선 분광법을 이용하여 액체 샘플을 시험하는 방법에 있어서, 상기 방법은:
휴대용 분광 장치에 슬라이드식으로 연결된 액체 시험 포트 내에 액체 샘플을 수용하는 단계,
액체 샘플을 적외선에 근거리에서 노출시키는 단계,
샘플에 의한 적외선 흡수의 주파수의 스펙트럼을 기록하는 단계,
액체 샘플 중에 하나 이상의 성분들을 검출하거나 정량하여 액체 샘플과 관련된 스펙트럼 데이터를 생성하기 위하여 흡수 주파수를 분석하는 단계, 및
스펙트럼 데이터를 휴대용 장치로부터 무선 통신 네트워크를 통해 하나 이상의 다른 장치로 전송하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 분광법을 이용하여 액체 샘플을 시험하는 방법. - 제 29 항에 있어서,
액체 샘플은 체액의 샘플인 것을 특징으로 하는 적외선 분광법을 이용하여 액체 샘플을 시험하는 방법. - 제 29 항에 있어서,
액체 샘플은 환경 유체(environmental fluid)인 것을 특징으로 하는 적외선 분광법을 이용하여 액체 샘플을 시험하는 방법. - 제 29 항에 있어서,
조사된 적외선은 약 650nm 내지 약 15000nm의 파장 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 적외선 분광법을 이용하여 액체 샘플을 시험하는 방법. - 제 29 항에 있어서,
조사된 적외선은 약 650nm 내지 약 3000nm의 근적외선 파장 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 적외선 분광법을 이용하여 액체 샘플을 시험하는 방법. - 제 29 항에 있어서,
조사된 적외선은 약 3000nm 내지 약 8000nm의 중-적외선 파장 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 적외선 분광법을 이용하여 액체 샘플을 시험하는 방법.
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