KR20150077302A

KR20150077302A - 파장 중심 검출 기반 센서 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20150077302A
Application number: KR1020140170728A
Authority: KR
Inventors: 키에슬 피터; 로크바움 알렉산더; 라흐아반 아자이; 사하 바스카; 스타웃 토비어스; 윌코 소메르 라르스
Original assignee: 팔로 알토 리서치 센터 인코포레이티드
Priority date: 2013-12-27
Filing date: 2014-12-02
Publication date: 2015-07-07
Also published as: JP6360430B2; US20150185139A1; US9201000B2; EP2896958A1; KR102155486B1; JP2015127703A

Abstract

센서 물질은 입사광과 상호작용하고 외부 자극의 존재에 응답하여 비대칭적으로 입사광의 분광 분포를 변경시킨다. 검출기는변경된 입사광을 감지하고 입사광의 분광 분포 중심과 비교하여 변경된 입사광의 분광 분포 중심 이동에 대한 정보를 포함하는 적어도 하나의 전기신호를 발생시킨다.

Description

파장 중심 검출 기반 센서 장치 및 방법{SENSOR APPARATUS AND METHOD BASED ON WAVELENGTH CENTROID DETECTION}

본원의 다양한 실시형태들은 입사광과 상호작용하고 외부 자극 존재에 대한 응답으로 비대칭적으로 입사광 분광 분포를 변경시키는 센서 물질을 포함한 시스템에 관한 것이다.

검출기는 변경된 입사광을 감지하고 입사광 분광 분포 중심에 대하여 변경된 입사광 분광 분포의 중심 이동에 대한 정보를 포함하는 적어도 하나의 전기신호를 발생시킨다.

일부 실시형태들에 따르면, 시스템은 입사광과 상호작용하고 특정 분석물 존재에 대한 응답으로 입사광 분광 분포를 비대칭적으로 변경시키는 분석물-특정 (analyte-specific) 센서 물질을 포함한다. 검출기는 변경된 입사광을 감지하고 특정 분석물 존재에 대한 응답으로 입사광 분광 분포 중심에 대한 변경된 입사광 분광 분포의 중심 이동에 대한 정보를 포함한 적어도 하나의 전기신호를 발생시킨다.

다른 실시형태들은 외부 자극 존재에 대한 응답으로 센서 물질이 입사광 분광 분포를 비대칭적으로 변경시키도록 센서 물질을 입사광과 상호작용시키는 단계를 포함한 방법에 관한 것이다. 또한 본 방법은 변경된 입사광을 감지하는 단계 및 입사광 분광 분포 중심에 대하여 변경된 입사광의 분광 분포 중심 이동에 대한 정보를 포함한 적어도 하나의 전기신호를 발생시키는 단계를 포함한다.

상기 요약은 각각의 개시된 실시형태 또는 모든 본 발명의 구현예를 기술하지는 않는다. 하기 도면 및 상세한 설명은 도시된 실시형태들을 더욱 상세하게 설명한다.

도 1은 본원에 개시된 실시형태들에 의한 검출 장치에 대한 개략적 블록도이다;
도 2는 일부 실시형태들에 의한 광학-기반 검출기를 이용하여 외부 자극 존재를 검출하는 시스템을 도시한 것이다;
도 3은 다른 실시형태들에 의한 광학-기반 검출기를 이용하여 외부 자극 존재를 검출하는 시스템을 도시한 것이다;
도 4는 추가 실시형태들에 의한 광학-기반 검출기를 이용하여 외부 자극 존재를 검출하는 시스템을 도시한 것이다;
도 5 다양한 실시형태들에 의한 대표적인 조사 (illuminating) 광원 스펙트럼을 보인다;
도 6은 다양한 실시형태들에 따라 입사광과 상호작용하는 감지층의 흡수 스펙트럼을 보인다;
도 7은 다양한 실시형태들에 따라 감지층의 대표적인 흡수 스펙트럼과 대표적인 광원 스펙트럼을 보인다;
도 8은 다양한 실시형태들에 따라 검출기에서 입사광 파장 정보를 공간 강도 분포로 전환하기 위하여 통합된 위치검출소자 및 필터를 포함하는 검출기를 도시한 것이다;
도 9 및 10은 다양한 실시형태들에 의한 판독 장치, 및 다양한 실시형태들에 의한 조사 광원 (척도화 되지 않음)의 스펙트럼 절반 (one half)으로 완전히 통합되는 흡수 스펙트럼을 가지는 장치의 감지층을 도시한 것이다;
도 11은 다양한 실시형태들에 의해 변경된 광원 스펙트럼 중심 변경을 판단하기 위하여 광원 스펙트럼 일부만을 사용하는 파장 중심 검출기를 포함한 검출 방법을 도시한 것이다;
도 12는 다양한 실시형태들에 따른 예시적 감지층의 검출 특성 및 파장 중심 검출기의 대표적인 차동 출력 신호를 보인다;
도 13은 다양한 실시형태들에 의한 통합 센서 구조체의 단면도이다;
도 14는 다양한 실시형태들에 의한 광원 어레이, 검출기 어레이, 및 이들 사이에 위치하는 감지층 어레이로 구성되는 검출 장치를 도시한 것이다;
도 15는 광원 어레이, 상이한 유형의 형광체 어레이, 검출기 어레이, 및 이들 사이에 위치한 다양한 유형의 감지층 어레이로 구성되는 검출 장치를 도시한 것이다.
도 16은 다양한 실시형태들에 의한 분석물-유도 흡수 딥 (dip) 및 분석물-유도 형광 강도 변화가 있는 광원 스펙트럼 및 보인다;
도 17은 다양한 실시형태들에 의한 검출기 어레이, 상이한 유형의 형광체 어레이, 및 검출기 어레이 및 형광체 어레이 사이에 위치한 여러 유형의 감지층 어레이로 구성되는 검출 장치를 도시한 것이다;
도 18은 다양한 실시형태들에 의한 검출 장치 블록도이다.
달리 언급되지 않는 한 도면들은 반드시 척도가 고려되지는 않는다. 도면에서 사용되는 동일 도면부호는 동일 요소를 나타낸다. 그러나, 도면에서 요소를 언급하기 위하여 도면부호를 사용하는 것은 또 다른 도면에서 동일 부호를 가지는 요소를 제한할 의도는 아니라는 것을 이해하여야 한다.

하기 설명에서 본원의 설명 일부를 구성하는 첨부 도면들을 참조하여 여러 특정 실시형태들에 의해 설명될 것이다. 본원의 범위를 벗어나지 않는 다른 실시형태들이 고려되고 가능하다는 것을 이해하여야 한다. 따라서 하기 상세한 설명은 한정된 의미로 이해되어서는 아니된다.

달리 명시되지 않는 한, 명세서 및 청구범위에 사용되는 특징부 크기, 수량 및 물성 표시를 위한 모든 수치는 용어 "약"에 의해 변경될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 따라서, 반대로 표기되지 않는 한, 명세서 및 청구범위에 제시된 수치적 변수는 근사치이고 본원의 교시를 활용하여 당업자가 추구하려고 하는 희망 특성에 따라 달라질 수 있다. 종점들에 의해 수치적 범위를 사용하는 것은 해당 범위 내의 모든 수치들 (예를들면 1 내지 5는 1, 1.5, 2, 2.75, 3, 3.80, 4, 및 5를 포함한다) 및 해당 범위 내의 임의의 범위를 포함한다.

도 1은 다양한 실시형태들에 의한 광학-기반 검출기를 이용하여 외부 자극의 존재를 검출할 수 있는 시스템의 블록도이다. 도 1에 도시된 시스템은 입사광, 예를들면 광원 (102) 또는 태양에서 발생된 입사광과 상호작용하도록 배열되는 센서 물질 (104)를 포함한다. 센서 물질 (104)은 외부 자극(106)의 존재에 대한 응답으로 비대칭적으로 입사광의 분광 분포를 변경시킨다. 도 1에 도시된 시스템은 변경된 입사광을 감지하고 변경된 입사광의 분광 분포 중심 위치에 대한 정보를 포함하는 적어도 하나의 전기신호를 발생시키도록 구성되는 검출기 (108)를 더욱 포함한다. 검출기 (108)는 분광 분포 자체를 결정하기 보다는 입사광의 분광 분포 중심에 대한 변경된 입사광 중심 이동을 직접 측정하도록 구성된다. 또한 검출기 (108)는 센서 물질 (104)에 의해 감지되는 외부 자극 등급 (magnitude) 또는 농도를 결정하도록 구성된다.

일부 실시형태들에 따르면, 센서 물질 (104)은 분석물-특정 센서 물질이다. 특정 분석물이 존재하면, 입사광 스펙트럼의 특정 분광 범위에서 분석물-특정 센서 물질 (104)의 광학 특성이 변화된다. 특정 분석물 존재에서 변하는 분석물-특정 센서 물질 (104)의 대표적인 광학 특성은 특정 분광 범위에서의 흡수, 투과, 산란, 발광 또는 반사를 포함한다. 특정 분석물 존재로 인한 분석물-특정 센서 물질의 광학 특성 변화는 비대칭적으로 입사광의 분광 분포를 변경시킨다. 검출기 (108)는 센서 물질 (104)에 의해 감지되는 특정 분석물의 존재에 대한 응답으로 입사광의 분광 분포 중심에 대한 변경된 입사광 중심 이동을 결정하도록 구성된다. 또한 검출기 (108)는 센서 물질 (104)에 의해 감지되는 분석물의 등급 또는 농도를 결정한다. 예를들면, 입사광의 분광 분포 중심 이동은 분석물 농도 변화 또는 다른 형태의 외부 자극 등급 변화와 관련된다. 교정 및/또는 예컨대 감지층 부재의 검출기와의 참조 후, 검출기 (108)는 분석물 농도 또는 자극 정도 (amplitude)를 직접 측정할 수 있다. 검출기 (108) 또는 검출기 (108)와 연결된 분석기는 존재하는 분석물(들) 또는 다른 외부 자극 (또는 자극들)을 표시할 수 있는 디스플레이를 포함하고, 분석물 농도 또는 자극 정도를 문자 및/또는 그래프 형태로 표시한다.

다른 실시형태들에 의하면, 센서 물질 (104)은 입사광과 상호작용하고 특정 전자기장 존재에 대한 응답으로 비대칭적으로 입사광의 분광 분포를 변경시키도록 배열된다. 이러한 실시형태들에서, 센서 물질 (104)은 자성유체 (예를들면, 옥탄 중 Fe₂O₃)를 포함하고, 110 G 내지 280 G (11 mT - 28 mT)의 자기장에 대한 필터 특성 측정이 수행된다. 다른 실시형태들에서, 센서 물질 (104)은 입사광과 상호작용하고 특정 온도 또는 온도 범위 존재에서 비대칭적으로 입사광의 분광 분포를 변경하도록 구성된다 (열변색). 이러한 실시형태들에서, 센서 물질 (104)은 비스(디에틸암모늄) 테트라클로로쿠프레이트를 포함하고, 특정 상 전이 온도는 52-53℃으로, 본 예시에서는 녹색에서 황색으로 변색된다. 추가 실시형태들에 의하면, 센서 물질 (104)은 입사광과 상호작용하고 특정 기체 농도 또는 기체 농도 범위에서 비대칭적으로 입사광의 분광 분포를 변경하도록 배치된다. 이러한 실시형태들에서, 센서 물질 (104)은 CO 검출용 이핵 로듐 착체 또는 NH₃ 검출용 브로모크레졸 퍼플을 포함하고 특정 기체 농도는 예를들면 CO에 대하여는 100 ppm 및 NH₃에 대하여는 5-1000 ppm 범위에서 확인된다. 상기 설명은 특정 실시예들을 기술한 것이고; 더욱 포괄적인 용어로는, 감지층 (104)은 무엇보다도 압력, 음파; 정자기장 또는 전기장, 및 핵 방사를 포함한 아주 다양한 외부 자극들과 상호작용하고 반응할 수 있다.

도 2는 다양한 실시형태들에 의한 광학-기반 검출기를 이용한 외부 자극의 존재를 검출하기 위한 시스템을 도시한 것이다. 도 2에 도시된 실시형태에서, 시스템은 광원 (202) 및 광원 (202)으로부터 이격된 검출기 (204)를 포함한다. 광원 (202)은 발광소자, 예컨대 발광다이오드 (LED), 레이저 다이오드 또는 반도체 레이저를 포함한다. 광도파관 (예를들면 광섬유) (206)는 광원 (202) 및 검출기 (204) 사이에 배치된다. 센서 물질 (208)은 광도파관 (206)내에 배치되어 안내되는 광과 상호작용한다. 광섬유의 경우, 피복 물질 전체 또는 일부는 분석물/자극 특정 검출 물질로 대체될 수 있다.

일반적으로, 광원 (202)은 감지층 (208)이 비대칭적으로 스펙트럼을 변경시킬 수 있는 광폭 밴드 광원이다. 다수의 레이저 모드들을 방출하는 레이저 공급원 역시 적용될 수 있다. 비탄성 산란 (라만 산란)의 경우에는, 감지층 (208)에 의해 영향을 받는 분광 범위는 매우 좁고, 따라서 광원 분광 분포 역시 그러하다 (예를들면, 레이저). 검출 시스템에 대한 일반적인 원리로서, 입사광의 분광 분포는 감지층 (208)에 의해 영향을 받는 분광 범위보다 약 2배이어야 한다. 이러한 경우, 감지층 (208)은 가장 효과적으로 비대칭적으로 입사광의 분광 분포를 변경시킬 수 있다.

도 3에 도시된 실시형태에서, 시스템은 검출기 (304)와 떨어져 있는 광원 (302)을 포함한다. 도 3의 실시형태에서, 센서 물질 (308)은 광원 (302)에 배치되고, 광원 (302)을 완전히 덮어 감도를 개선시킨다. 예를들면, 센서 물질 (308)은 광원 (302) 상에 적층되거나 접촉될 수 있다. 도 4에 도시된 대표적인 실시형태에서, 시스템은 광원 (402) 및 광원 (402)에서 이격되는 검출기 (404)를 포함한다. 본 실시형태에 의하면, 센서 물질 (408)은 검출기 (404)에 배치되고, 검출기 (404)를 완전히 커버하여 감도를 개선시킨다. 예를들면 센서 물질 (408)은 검출기 (404) 상에 적층되거나 접촉된다. 선택적 광학 (410)이 도 4 (또는 도 3)에 도시된 시스템 내에 예컨대 광원 (402) 및 센서 물질 (408) 사이에 포함될 수 있다. 도 2-4에 도시된 실시형태들에서, 센서 물질 (208, 308, 408)은 광원 (202, 302, 402) 각각에서 생성되는 입사광과 상호작용하고 검출 영역 또는 공간 (volume) (206, 305, 405) 내에서 감지될 수 있는 외부 자극의 존재에 응답하여 비대칭적으로 입사광의 분광 분포를 변경시키도록 구성된다.

다시 도 2에 의해 도시된 실시형태를 참조하면, 시스템은 분석물-특정 코팅물 (208) (대표적인 센서 물질의 예시 또는 감지층)로 피복된 광도파관 (206)과 연결되는 광원 (202)으로서 LED를 포함한다. 감지층 (208)은 특정 분석물 존재에서 변하는 하나 이상의 광학 특성을 가진다. LED에 의해 발생되는 입사광은 바람직하게는 광폭 밴드 광으로, 소정의 중심 파장 및 FWHM (반치전폭)을 가진다. 분석물이 존재하면 소정의 분광 범위에서 광도파관 (206)에 있는 분석물-특정 코팅물 (208)의 투과 특성이 변한다. 일부 실시형태들에 따르면 감지층 (208) 성질에 따라, 분석물 존재로 상기 분광 범위에서 흡수가 증가하거나 감소된다. 분석물 존재로 LED 스펙트럼의 분광 분포 (예를들면, 분광 분포 중심)가 변화되도록 감지층 스펙트럼 및 LED 스펙트럼이 선택된다. 일부 실시형태들에서, 파장 중심 검출기 (204)는 변경된 입사광 분광 분포 중심의 파장 이동 (LED 스펙트럼에 대한 분석물-유도 변화)를 측정하고 분석물 농도를 측정하도록 구성된다.

다양한 실시형태들에 의하면, 분석물이 존재하면 소정의 분광 범위에서 감지층 (208)의 투과, 산란, 방출 (형광) 또는 반사 강도 변화가 유도된다. 감지층 (208)의 강도 변화는 입사 (광폭 밴드) 광원 (202)의 분광 분포에 영향을 준다. 변경된 입사광의 분광 분포 중심 변화 (예를들면, 변색)로부터 분석물 농도를 추론할 수 있다. 입사광 (예를들면, 필터 처리된 백색광, LED 또는 RC LED, 광폭 밴드 또는 다파장 방출 레이저) 중심 파장 및 분석물-유도 강도 변화의 중심 파장은 집중되어서는 아니된다. 일부 실시형태들에서, 분석물이 입사광 스펙트럼의 절반 (one half)에만 영향을 미친다면 입사광 중심의 더욱 큰 변화가 달성된다. 이러한 실시형태들에 의하면, 감지층 (208)은 특정 분석물 존재에 대한 응답으로 비대칭적으로 입사광의 분광 분포를 변경시키도록 구성되고, 이때 입사광 스펙트럼의 단지 절반만이 분석물 존재로 영향을 받는다.

코팅된 LED 또는 LED 어레이를 가지는 시스템과 같은 여러 대표적인 섬유 기반 시스템의 구현예들이 본원에 제공된다. 본원에 개시된 원리들은 많은 다른 유사하거나 비슷한 구현예들에서 적용될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 본원에 제공되는 많은 대표적인 실시예들은 투과 또는 반사 스펙트럼에서 흡수 딥을 생성함으로써 입사광 스펙트럼 중심을 변경시키는 감지층을 이용한다. 다른 광학 특성 (탄성 또는 비탄성 광 산란, 반사, 형광 방출 등)에서 분석물-유도 변화를 제공할 수 있는 감지층이 입사광 분광 분포를 변경시키기 위하여 사용될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 본 발명의 실시형태들은 소정의 파장 (밴드) 강도를 결정하기 보다는 변경된 입사광 파장 분포 이동을 측정하고, 이는 임의의 파장 참조를 필요하지 않으므로 편리하고 상대적으로 간단하여, 매우 저렴한 시스템 구현이 가능하다.

섬유-기반 센서 및 비-섬유-기반 센서 모두에서 강도-부호화 센서의 판독은, 전형적으로 소정 파장의 광학 스펙트럼 분석 또는 (분광적으로 감지층 흡수 스펙트럼과 중첩되는) 소정 분광 범위의 광원으로 조사하여 강도를 측정하고 감지층과의 상호작용 후 광 강도를 기록함으로써 달성된다. 감도를 높이기 위하여, 때로는 흡수 스펙트럼과 분광적으로 중첩하지 않는 제2 파장을 참조로 측정한다. 흡수-기반의 섬유 센서들의 예시로는 소실파 흡수-기반의 섬유 센서이다. 섬유에 안내된 광의 소실장은 감지제 (sensing agent)와 직접 또는 변환 물질 (예를들면, 피복화 통합 염료에서의 코팅물, 기타 등, 일반적으로 상기된 소위 “검출 물질”)과 중첩된다. 이러한 영역을 통과하는 소실파의 전파는 섬유 코어와 비교할 때 더 높은 손실로 연결된다. 또한, 소실장에 의한 감지 손실은 피-감지제 농도와 함께 변경된다. 따라서, 섬유를 통과하는 투과 광의 강도는 물질 (agent) 농도에 따라 달라진다.

또한 광학 흡수-기반의 센서는 비-섬유-기반 솔루션 형태로 이용된다. 적외선 영역에서의 여기 (excitation) 및 검출은, 예를들면, 현재 종래 연기 검출기에서 사용된다. 이때, 강도 측정치는 자체 암 (dark) 스펙트럼, 즉 조사 다이오드가 오프 상태로 보통 (coarse) 임계치 측정할 때와 비교된다. 측정이 광원 변동 및 다른 신호 강도 왜곡에 무관하게 이루어지기 위하여, 센서 흡수 밴드 (예를들면, 570-580 nm)에서 측정된 강도를 검출 물질 흡수에 의해 변경되지 않는 센서 흡수 범위 밖의 밴드 (예를들면, 910- 920 nm) 강도와 상관시켜야 한다. 따라서, 강도 측정은 두 개의 상이한 파장들, 각각의 파장 밴드들에서의 상대 강도 (또는 즉 강도 비율) 계산에 기초한다. 이러한 판독 방법은 고가의 판독 유닛 (예를들면, 광학 스펙트럼 분석기) 또는 다중 광원 및 검출기 (예를들면, LED 및 포토다이오드)를 필요로 하고, 복잡성 및 판독 시스템 가격이 높아진다.

본 발명의 실시형태들은 상기된 상이한 강도들 (예를들면, 강도 비율) 평가에 의존하지 않고 소정의 외부 자극, 예컨대 특정 분석물 존재에 대한 감지층의 광학적 응답으로 인한 입사광의 분광 분포 변화를 검출하는 판독 방법을 제공한다. 따라서, 다른 파장 밴드에 대한 측정을 참조할 필요가 없고, 제2 검출기 및 제2 광원 모두가 필요하지 않다. 다양한 실시형태들에 의하면, 본원에 개시된 검출 방법은 감지층의 흡수 스펙트럼 중심은 입사광원 중심과 비교할 때 다르다는 사실을 이용하는 것이다. 즉, 감지층의 흡수 스펙트럼은 조사 광원 스펙트럼과 중심이 일치하지 않고 따라서 단조 기준선 (monotonic baseline)으로 보인다.

예로써, 도 5는 대표적인 조사 광원, 예컨대 도 1-4에 도시된 광원의 스펙트럼을 보인다. 도 5의 조사 광원은 (분광적으로 필터 처리된) 텅스텐-할로겐 전구, LED, RC LED 또는 다파장 방출 레이저일 수 있다. 도 5에 도시된 스펙트럼은 예시적 목적으로 제시되는 것이고 상이한 광원에 대하여는 상당히 다르게 보일 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 도 5에 도시된 대표적인 광원 스펙트럼은 중심 파장 λ_{중심, 광원}을 가진다. 도 6은 감지층, 예컨대 도 1-4에 도시된 센서 물질의 흡수 스펙트럼을 보인다. 도 6에 도시된 대표적인 흡수 스펙트럼은 중심 파장 λ_{중심, Abs}을 가진다. 도 7은 감지층의 대표적인 흡수 스펙트럼과 함께 대표적인 광원 스펙트럼을 보인다. 두 스펙트럼들의 중심 파장들은 각각 λ_{중심, 광원} 및 λ_{중심, Abs}로 표기된다. 양호한 효율을 위하여, 도 7에 도시된 바와 같이 흡수 스펙트럼이 조사 스펙트럼 내에 비-중심적으로 위치하도록 광원의 조사 스펙트럼은 흡수 스펙트럼보다 넓도록 선택되어야 한다. 따라서, 입사광 스펙트럼 중심은 감지층과 상호작용 후의 조사 스펙트럼 중심과 다르다. 도 7에서, 감지층에 대한 3종의 상이한 흡수 수준들이 각각 파단선 1, 2, 및 3으로 도시된다.

다양한 실시형태들에 의하면, 검출 방법의 기능성을 위하여 감지층 흡수 스펙트럼은 입사광원의 조사 스펙트럼 내에 비-중심적으로 위치하는 것이 중요하다. 일부 실시형태들에서, 흡수 스펙트럼은 주로 조사 스펙트럼의 ‘절반 (one half)’ (예를들면, 중심 파장에 대하여 좌측 또는 우측)에 통합될 수 있다. 도 7의 예시적 실시형태에서, 감지층 흡수 스펙트럼은 주로 광원의 조사 스펙트럼 좌측 절반에 통합된다.

흡수 스펙트럼 폭에 비하여 조사 스펙트럼이 가파를수록, 흡수 특성 변화에 대하여 검출 방법은 더욱 감도가 높아진다는 것을 이해하여야 한다. 그러나, 일반적으로, 감지층은 상이한 분석물 농도들에 대하여 조사 광원 중심만을 변경시킨다. 따라서, 조사 광원 중심이 감지층에 의해 변경되는 한 흡수 스펙트럼은, 조사 스펙트럼 일측에 통합되는 것보다 또한 조사 스펙트럼 양측에 영향을 주도록 구현되어야 한다. 또한 흡수 밴드의 FWHM은 가능한 광폭이거나 조사 광의 FWHM보다는 넓어야 한다는 것을 이해하여야 한다. 이러한 경우, 흡수 스펙트럼이 효과적으로 조사 스펙트럼의 절반을 침식하도록 두 밴드들은 중심이 충분히 떨어져 있어야 한다. 그러나, 이러한 구성은 검출 시스템 감도를 낮추므로 덜 바람직하다. 이러한 경우, 감지층 흡수 밴드 일부만이 입사광과 중첩되고 분광 분포를 변경시킨다.

일부 실시형태들에서, 광폭 밴드 조사원을 사용하는 대신, 다파장 방출 레이저 (예를들면, 특수 다파장 (또는 광폭 밴드 레이저) 다이오드) 또는 레이저 다이오드들의 조합을 사용할 수 있다. 이러한 실시형태들에서, 방출 파장들의 일부가 감지층 흡수 밴드에 의해 영향을 받지만, 다른 부분들은 영향을 받지 않는다. 이러한 방출 파장들의 상대적 강도 변화는 방출선들 중심의 분광 이동을 측정하는 파장 중심 검출기로 측정될 수 있다.

전기된 바와 같이, 광원과 감지층의 상호작용은 분광 입사광 분포 중심을 측정하는 파장 중심 검출기를 이용하여 결정된다. 이러한 목적으로 사용 가능한 많은 방법이 존재한다. 이러한 목적으로 특히 적합한 것은 입사광 파장 측정 작업을 위치-검출 검출기 상의 빛의 위치를 정확하게 측정하는 것으로 효과적으로 전환시키는 파장 이동 검출 방법이다. 파장 정보는 측방 가변 코팅물로 구성되는 검출기에 의해 위치 정보로 부호화 된다. 예를들면 하나의 유용한 검출기는 소형의 신속 파장 모니터로서 이내의 파장 변화를 분할할 수 있다.

도 8을 참조하는 일부 실시형태들에 따르면, 입사광 파장 정보를 위치 검출 소자 (806)에서 공간 강도 분포로 전환시키기 위하여 통합되는 위치 검출 소자 (806) 및 필터 (804) (예를들면, 선형 가변 필터)를 포함하는 검출기 (802)가 도시된다. 위치 검출 소자 (806)의 두 인접 요소들 (808, 810)에 대한 차동 판독으로 본 분포의 중심을 결정한다. 입사광 파장 변화는 분포 중심 이동으로써 검출된다. 검출기 (802)는 파장 모니터로서 기능하여, 자극에 응답하여 파장 이동을 유발시키는 임의의 광학 센서에 대한 판독 유닛으로 사용될 수 있다.

도 8을 더욱 참조하면, 변경된 입사광의 파장 정보는 필터 (804)에 의해 공간 정보로 전환된다. 상이한 필터 방법, 예를들면 약간만이 다른 특성을 가지는 대역 필터 또는 전기된 바와 같이 선형 가변 필터가 사용될 수 있다. 선형 가변 필터 (804)는 소정 파장의 빛을 소정의 위치에만 전송하고, 따라서 위치-의존 대역 필터로서 작용한다. 예로써, 도 8에 도시된 선형 가변 필터 (804)에 있어서, 더 짧은 파장들이 좌측을 통과하고, 더 긴 파장들은 우측에서 전달된다. 투과 광은 위치 검출 소자 (806), 일부 실시형태들에 의하면 중간에서 분할되는, 소위 분할 다이오드와 같은 포토다이오드 (PD)에 의해 검출된다. 위치 검출 소자 (806)인 분할 다이오드의 두 분리 영역들 (808, 810)은 도 8에도 도시된 바와 같이 영역 I 및 영역 II로 칭한다. 필터 (804)를 통과하여 전달된 파장 스펙트럼의 절반은 위치 검출 소자 (806)의 영역 I에서 검출되고, 파장 스펙트럼의 다른 절반은 위치 검출 소자 (806)의 영역 II에 의해 검출된다.

따라서, 광 검출기 영역들 (808, 810)의 광전류 (흡수 광자들에 비례)에 의해, 예컨대 검출 영역 I 및 II로부터 광전류 차이를 취하고 상기 차이를 광전류의 합으로 나누어 파장 영역에서의 광 분포 중심이 결정된다. 인접 검출기 요소들 (808, 810)에서 발생된 광전류를 비교하여, 투과된 광의 실제 중심 위치를 측정한다. 강도 변동에 적합한 판독 신호를 만들기 위하여, 신호를 총 입사 강도에 의해 정규화하여 전형적으로 차동 신호 (S_Diff)라고 칭하며, 다음 식으로 표기된다:

도 9 및 10은 다양한 실시형태들에 의한 판독 장치를 도시한 것이다. 도 9 및 10에 도시된 실시형태들에서, 장치 (1002)의 감지층은 광원의 조사 스펙트럼 절반에 완전히 통합되는 흡수 스펙트럼을 가지고 감도가 증가된다. 장치 (1002)는 파장-의존 필터 (1004) (예를들면, 선형 가변 필터 또는 LVF)를 포함하고, 이는 전 (full) 분광 범위가 도 9 및 10에 도시된 바와 같이 (도 9 및 10 사이 연장되는 외향 점선 참고) 단지 조사 스펙트럼을 통합하도록 설계된다. 따라서, 필터 (1004)의 중심 파장은 광원 중심 파장과 같다. 일부 실시형태들에 따르면 위치 검출 소자 (1006)는 포토다이오드 (PD)를 포함하고, 이는 필터 (1004)에 중심을 맞춘 분할 포토다이오드 (영역 I 및 II)로 구현된다. 대표적인 두 경우들이 예시적 목적으로 도 9에 나타난다 (곡선 1 및 2 참고). 변환 메카니즘에 따라, 반드시 상기된 방식으로 광원 스펙트럼이 변화될 필요가 없다는 것을 이해하여야 한다. 예를들면, 본원의 흡수 감소 거동 대신 분석물 농도와 함께 증가될 수 있거나 또는 예를들면 형광이 발생될 수 있다.

도 9 및 10에서, 광원 스펙트럼은 변환 물질으로도 칭하는 감지층 흡수 특성에 의해 변경된다. 조사 광원은 소정의 FWHM 및 중심 파장 λ_{중심, 광원}으로 특정된다. 감지층 흡수 특성은 소정의 FWHM 및 중심 파장 λ_{중심, Abs}으로 기술된다. 전기된 바와 같이, 필터 (1004)는 선형 가변 필터 (LVF)이고 위치 검출 소자 (1006)인 포토다이오드 (PD)는 포토다이오드 영역 I 및 II를 가지는 분할-다이오드이다. 두 포토다이오드 영역 I 및 II에 대한 검출 범위는 또한 도 10의 위치 검출 소자 (1006)로부터 도 9의 파장 축으로 연장되는 점선으로 표기되는 바와 같이 파장 축 (x 축)에 대한 스펙트럼 플롯으로 나타낸다. 상이한 분석물 농도들을 가지는2종의 상이한 상황들은 도 9에 도시된 스펙트럼 1 및 2으로 도시된다. 상황 1에서, 분석물이 존재하지 않는다; 따라서 흡수 딥이 가장 크고 광원 스펙트럼 중심은 우측에 있다 (λ_C1로 표기). 분석물 농도가 증가하면, 스펙트럼 2로 표기되는 바와 같이 흡수 딥은 감소된다. 따라서, 위치 검출 소자 (1006) 광 분포 중심은 좌측으로 이동되고, 이 경우 다른 중심 파장 λ_C2으로 표기된다. 이러한 중심 이동으로 영역 I 및 II에서 광전류 변화로 이어지고, 따라서 상기된 바와 같이 위치 검출 소자 출력 신호 S_Diff가 변한다. 도 9에서는 양호한 가시적 효과를 위하여 파장 중심 이동이 과장된다는 것을 이해하여야 한다. 실제로는, 이동은 더욱 작을 수 있다. 그러나 상기된 위치 검출 소자 (1006)는 최소 중심 변화에도 감도가 매우 높을 수 있다.

실시예 1 - 분석물 부재

분석물이 존재하지 않을 때, 흡수 중심 파장 λ_{중심, Abs} 주위로 최대 흡수가 생긴다. 위치 검출 소자 (1006)는 포토다이오드 영역 I 및 II 모두에서 강도를 서로 비교하여 분광 분포 중심을 결정한다. 유의한 흡수가 스펙트럼 좌측 (포토다이오드 I)에서 발생될 때, 더욱 많은 광자들이 영역 II에서 전달되고 (따라서 더 큰 광전류가 영역 II에서 발생) 따라서 변경된 광원 스펙트럼 중심은 광원 중심 파장 λ_{중심, 광원} 우측에 놓이고 λ_C1로 칭한다.

실시예 2 - 분석물 존재

감지층에 특정한 분석물이 존재하면, 감지층의 흡수는 감소하고 흡수 딥은 약간 줄어든다. 상기 실시예 1과 비교할 때, 더 많은 광자들이 포토다이오드 I로 전달되고 변경된 광원 스펙트럼 중심 λ_C2은 좌측으로 이동하되, 여전히 광원 스펙트럼 우측에 남는다.

도 11은 검출 방법의 다른 실시형태를 보이고, 여기에서 파장 중심 검출기는 광원 스펙트럼의 소정의 일부만을 이용하여 변경된 광원 스펙트럼 중심 변화를 결정한다. 검출기 구조를 감지층 흡수 밴드로 맞추어 설계한다면, 각각 영역 I 및 II로 표기된 분할 다이오드의 두 검출 영역으로 도 11에 의해 나타낸 바와 같이 선형 가변 필터 투과 스펙트럼은 센서 흡수 밴드보다 약간 더 넓게 설계될 수 있다. 도 11에서, 특정한 흡수 딥은 중심 파장 λ_{중심, Abs}로 가시화된다. 곡선 1은 감지제가 존재하지 않는 상태를 나타낸다. 곡선 2은 감지제가 존재하는 상황을 보인다. 선형 가변 필터의 파장 범위는 각각 영역 I 및 II로 표기되는 분할 다이오드의 두 검출 영역들에 의해 나타낸다. 검출 영역 I 및 II는 A₁₁, A₁₂, A₂₁, 및 A₂₂로 표기되는 각각 곡선 1 및 2 아래 면적으로 감지된다.

감지제가 없는 상황에서, 감지층 흡수에 의해 생성된 딥이 투과 스펙트럼에서 관찰되고, 도 11에 도시되고 곡선 1로 표기된다. 검출 영역 I의 전압 신호는 곡선 1 아래 면적 A₁₁ 에 비례하고, 검출 영역 II의 전압 신호는 곡선 1 아래 면적 A₁₂ 에 비례한다. 따라서, 광의 강도 중심은 검출 영역 I 및 II에서 발생되는 광전류 신호를 이용하여 정확하게 측정/결정된다.

검출 물질의 흡수 코팅물이 감지제에 의해 영향을 받으면, 흡수 코팅물은 흡수 특성을 변화시킨다. 이러한 상황은 도 11에 곡선 2로 표기된다. 특히, 도 11에서 곡선 2 및 곡선 1를 비교하면 알 수 있는 바와 같이 감지제 농도가 커질수록, 흡수 딥은 더욱 작아진다. 검출 영역 I에서 발생되는 광전류는 이제는 A₂₁로 칭하는 곡선 2 아래 좌측 면적에 비례한다. 동일한 방식으로, 검출 영역 II에서의 광전류 신호는 이제는 A₂₁로 칭하는 곡선 2 아래 우측 면적에 비례한다. 도 11에서 알 수 있는 바와 같이, 단조적 상승/하강 조사 스펙트럼으로 인하여, A₁₁ 에서 A₂₁ 및 A₁₂ 에서 A₂₂ 로의 정규화 면적 변화는 동일하지 않다. 수식으로 나타내면 다음과 같다.

도 12는 곡선 1로 표시되는 검출 특성, 및 중심 파장 λ_C1및λ_C2에 따른 파장 중심 검출기의 대표적인 출력 신호 S_Diff_1 및 S_Diff_2을 나타낸다. 곡선 1로 표기되는 도 12에 도시된 검출기 특성에 의하면, 파장 λ_C 구역 (예를들면, λ_C1에서 λ_C2)에서 중심 변화로 검출기 출력 신호 S_Diff 변화가 생긴다. 따라서, 검출 물질의 흡수가 변할 때 센서 신호 변화를 검출하는 것이 가능하고 따라서 개시된 검출 원리를 이용하여 고도로 정밀하게 강도 부호화 센서를 판독하는 것이 가능하다.

다양한 실시형태들에 의한 센서 장치는 광원, 분석물-감지 코팅물 (감지층), 선형 가변 필터, 및 동일 기판에 구현 또는 적층되는 포토다이오드를 포함한다. 일부 실시형태들에서, 분석물-감지 코팅물은 광원, 예컨대 LED, RC LED 또는 with 다중 방출 파장들을 가지는 레이저 칩 상부에 전개된다. 파장 중심 검출기는 광학 경로의 다른 단부에 배치된다. 대안으로, 또한 감지층은 광원 및 검출기 사이에 놓이거나 또는 파장 중심 검출기에 직접 적층된다. 판독 장치 통합을 위한 많은 상이한 구성들이 선택될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 예를들면, 플립-칩 실장 또는 면내 통합을 통한 대면 통합을 이용한 실시형태들이 실현될 수 있다. 일부 실시형태들은 광학 경로에 광학 요소들이 부가되어 빛과 감지층과의 상호작용을 증가시키고 또는/및 파장 중심 검출기에서의 광 회수를 증가시킨다. 또한, 다양한 적층 기술을 이용하여 동일한 칩 또는 기판에서 광원 및 검출 유닛을 서로 이웃하게 성장시킬 수 있다.

도 13은 다양한 실시형태들에 의한 통합 센서 구조체의 단면도이다. 통합 센서 구조체는 LED 구조체 (1301)에 적층되는 외부 자극 또는 분석물-감지층 (1320)을 포함한다. LED 구조체 (1301)는 기판 (1304) (예를들면, n⁺ 기판), 에피택시얼층 (1306) (n⁺/p 층들), 절연체/산화물 (1308), 및 접촉층 (1310)을 포함한다. LED 구조체 (1301)에서 발생된 광은 감지층 (1320)을 통과하고 파장 중심 검출기 (1350)에 수신된다. 파장 중심 검출기 (1350)는 방출 LED 스펙트럼의 임의의 분석물 유도 변화를 측정하고, 일부 실시형태들에 따르면 분석물 챔버 타측에 배치될 수 있다. 도 13에서, 대표적인 파장 중심 검출기 (1350)는 선형 가변 필터 (1354)로 덮인 분할 다이오드 광검출기 (1356)를 포함한다. 일부 실시형태들에서, 감지층 (1320)은 파장 중심 검출기 (1350)에 적층될 수 있다. 일부 실시형태들에서, 도 13에 도시된 센서 구조체는 통합 유닛으로서 고밀도 검출 인클로저로 통합될 수 있다.

다양한 실시형태들은 전체 검출 장치의 응답 시간을 감소시키도록 고도의 통합성 및 확장성을 제공한다. 고집적 제작 기술로 거대 센서 어레이를 구현하여 검출 신뢰성을 높이고 (예를들면, 불필요한 센서 픽셀), 다중 센서들을 구현하고 (상이한 픽셀들은 상이한 분석물을 검출) 또는 센서의 동적 범위를 높인다 (예를들면, 상이한 농도 범위의 동일 분석물 검출을 위한 센서 어레이 선택에 의함). 각각의 픽셀에 대하여 상이한 분석물-특정 코팅물을 이용함으로써, 예를들면, 센서는 다중 분석물 검출을 제공할 수 있다 (예를들면, 도 14, 15, 18 참고). 각각의 개별 감지층은 단지 "미약"하게 특정된다고 하더라도 광범위하게 다양한 코팅물로 매우 특정한 검출이 가능하다. 이는 전형적으로 특유한 검출 패턴을 검색하는 주요 요소들 분석과 같은 소정의 평가 기술로 달성된다.

도 14는 광원 어레이 (1402) (LS1-LSN), 파장 검출기 어레이 (1404) (D1-DN), 및 이들 사이에 위치한 여러 유형의 감지층 어레이(1408)로 구성되는 검출 장치 (1400)를 보인다. 감지층 어레이(1408)는 특정 외부 자극 존재에 대한 응답으로 광학 특성이 변화하는 복수의 감지층들로 구성된다. 예를들면, 감지층 어레이(1408)는 복수의 분석물-특정 감지층들 (예를들면, 분석물-특정 코팅물들 ASC1-ASCN)로 구성되고, 이들 각각은 상이한 분석물에 감지된다. 도 14에 도시된 실시형태들에서, 광원들 (1402)은 다양한 유형들일 수 있다 (예를들면, LED, RC LED, OLED, 기타 등). 광학 경로의 타측에, 분석물-특정 코팅물들 (1408)과 함께 (입사광 분포 중심을 측정할 수 있는) 파장 검출기 어레이 (1404)가 일부 실시형태들에 의한 파장 검출기 (1404) 상부에 적층된다. 분석물-특정 검출을 위하여, 상이한 코팅물들 (1408)이 각각의 검출기 (1404)에 도포되어 예를들면 성분 분석에 있어서 각각의 검출기 (1404)에서 특정 검출을 제공한다. 광 감도를 높이기 위하여, 광학 요소들이 광원들 (1402) (예를들면, LED 어레이 또는 검출기 어레이 (1404)와 대향하는 하나 이상의 대면적 LED) 사이에 부가되어 광자 플렉스를 개선시킨다.

파장 중심 검출기 어레이 (1404)가 특정 파장 밴드에 감지되도록 제작된다면, 자연 조명 (예를들면, 태양광 또는 입사광을 감지층 흡수 스펙트럼에 일치시키기 위하여 분광적으로 필터 처리된 태양광)이 사용될 수 있고, 동일 파장 밴드에 감지되지만 분석물 특정 감지층으로 도포되지 않은 파장 검출기에 참조되는 분석물-유도 변화를 측정하여 검출이 이루어진다. 예를들면, 자연 태양광이 측정 과정에서 분광적으로 변하는 입사광으로 사용된다면 이러한 참조가 요구될 수 있다. 상기 대표적인 실시예들은 감지층에서의 분석물-유도 흡수 변화에 의해 초래되는 강도 변화를 포함한다.

기타 강도 변화를 이용하여 특정 외부 자극, 예컨대 특정 분석물 존재를 감지할 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 예를들면, 형광 강도에서의 분석물-유도 변화를 이용하여 파장 검출기에 충돌하는 광의 분광 분포 중심 변화를 발생시킬 수 있다 (도 16 참고). 특정한 실시형태들은 흡수 및 형광 방출 모두에 의해 입사광 중심 변경의 경우이다. 도 16에서, 분석물-유도 흡수 딥을 가지는 광원 스펙트럼은 ‘1’로 표기되고, 형광 강도에서의 분석물-유도 변화는 ‘2’로 표기된다. 모두는 변경된 광원 스펙트럼 중심 변경에 영향을 준다.

도 15는 광원 어레이 (1502) (LS1-LSN), 상이한 유형의 형광체 어레이 (P1-PN) (1506), 검출기 어레이 (1504) (D1-DN), 및 이들 사이에 위치한 여러 유형의 감지층 어레이(1508)로 구성되는 검출 장치 (1500)를 보인다. 감지층 어레이(1508)는 특정 외부 자극 존재에 대한 응답으로 광학 특성 (예를들면, 흡수 및 형광)이 변화하는 복수의 감지층들로 구성된다. 예를들면, 감지층 어레이(1508)는 복수의 분석물-특정 감지층들 (예를들면, 분석물-특정 코팅물들 ASC1-ASCN)로 구성되고, 이들 각각은 상이한 분석물에 감지된다. 각각의 감지층 어레이(1508)는 어레이 (1506)의 적합한 형광체 (P1-PN에서 선택된 하나)에 의해 제공되는 특정 분광 범위로 조사될 필요가 있다. 어레이 (1506)의 적합한 형광체를 이용하여 어레이 (1508)의 각각의 감지층을 조사하여 광원 (1502) 방출 스펙트럼을 각각의 감지층에 대하여 필요한 파장 스펙트럼으로 전환시킨다.

도 15에 도시된 실시형태들에서, 광원들 (1502)은 다양한 유형들일 수 있다 (예를들면, LED, RC LED, OLED, 기타 등). 형광체 어레이 (1506)는 레이저 광을 감지층들 (1508)에 대한 입사광으로 필요한 적합한 광폭 밴드 광원으로 전환시키므로 어레이 (1502)는 또한 레이저 광원들 (예를들면, 청색 또는 UV 레이저 다이오드)을 포함할 수 있다. 또한 장치 (1500)는 분석물-특정 코팅물들 (1508)이 일부 실시형태들에 따르는 검출기들 (1504)에 직접 적층되는 파장 중심 검출기 어레이 (1504)를 포함한다. 분석물-특정 검출을 위하여, 상이한 코팅물들 (1508)이 각각의 검출기 (1504)에 도포되어 예를들면 성분 분석 또는 특정 패턴 인식에 있어서 각각의 검출기 (1504)에서 특정 검출을 제공한다. 상기된 바와 같이, 광 감도를 높이기 위하여, 광학 요소들이 광원들 (1502) (예를들면, LED 어레이 또는 검출기 어레이 (1504)와 대향하는 하나 이상의 대면적 LED) 사이에 부가되어 광자 플렉스를 개선시킨다.

상기의 다양한 실시예들은 검출용으로 투과 구조를 이용한다. 그러나, 많은 검출 개념은 반사에서도 적용된다. 예를들면, 분석물-특정 코팅물을 가지는 섬유 센서는 섬유 말단면에 미러를 배치함으로써 반사에서 적용될 수 있다 (2 패스 투과). 빛이 검출 물질과 2회 상호작용하므로 (한번은 섬유 말단면을 향할 때 및 한번은 말단면으로부터 돌아올 때) 예컨대 섬유 센서는 섬유 길이 당 감도가 더욱 높다. 자유 공간 실시형태에서, 예를들면, 감지층이 미러에 적층되고 광원 및 파장 검출기는 45도로 배열될 수 있다. 검출 시스템의 감도를 높이기 위하여, 분석물-특정 감지층은 또한 입사광 및 파장 중심 검출기 사이 공동에 배치되어 입사광 및 감지층 사이 상호작용 길이를 증가시킨다.

도 17은 다른 실시형태의 검출 장치 (1700)를 도시한 것으로, 파장 중심 검출기 어레이 (1704), 형광체 어레이 (1706), 및 검출기 어레이 (1704) 및 형광체 어레이 (1706) 사이에 위치한 감지층 어레이 (1708)로 구성된다. 도 17에 도시된 실시형태에서, 흡수 및 형광 방출에 대한 분석물-유도 변화를 이용하여 특정 분석물 존재를 검출한다. 또한 광 스펙트럼 중심의 변화 등급이 측정되어 특정 분석물 농도를 결정할 수 있다.

도 17에 도시된 실시형태에서, 검출 장치 (1700)는 다양한 유형의 (예를들면, GaN LED 또는 LD 또는 SiC LED) 단일 광원 (1702)을 포함한다. 일부 실시형태들에서, 광학 (1703) (예를들면, 하나 이상의 렌즈)가 광원 (1702) 및 형광체 어레이 (1706) 사이에 배치된다. 광학 (1703)은 광원 (1702)에서 발생된 입사광을 형광체 어레이 (1706)의 각각의 셀 및 해당 감지층들 (1708) 및 검출기들 (1704)로 지향한다. 다른 실시형태들에서, 예컨대 도 14 및 15에서 도시된 광원 어레이가 이용될 수 있고, 이러한 경우에는 광학 (1703)이 포함될 필요가 없다. 일부 실시형태들에서, 형광체 어레이 (1706)에 있는 각각의 형광체는 광원 (1702)으로부터 빛을 감지층들 (1708) 및 검출기들 (1705)을 향하여 지향시키는 렌즈와 같이 작동하도록 형상화될 수 있다.

광원 (1702) (또는 광원 어레이) 및 렌즈 (1703) (존재하는 경우)는 광원 (1702)에서 방출된 빛이 정확한 감지층 (1708) 및 파장 중심 검출기 (1704)로 집중되도록 구성된다. 상이한 분광 범위의 조명이 필요한 어레이 (1708) 중 각각의 감지층은 광원 (1702) 스펙트럼을 전환시키기 위하여 어레이 (1706) 중 적합한 형광체를 선택하여 정확하게 조사된다. 일부 실시형태들에서, 광원 (1702)은 분석물-특정 감지층들 (1708)에 대한 필요한 파장 스펙트럼을 제공하는 형광체들 (1706)로 피복된 LED 어레이를 포함한다. 감지층들 (1708)이 상이한 분광 범위들에서 작동할 수 있더라도 이러한 실시형태들은 동일 칩에 조합될 수 있는 더욱 다양한 감지층들 (1708)을 제공한다. 일부 실시형태들에서, 전체 형광체 어레이 (1706)는 동일한 LED 타입에 의해 지지될 수 있다. 상이한 센서들의 기능화 (예를들면, 형광체 및 감지층 적층화)는 예를들면 인쇄화로 달성될 수 있다.

각각의 분석물-특정 감지층 (1708)은 연관된 형광체 (1706)를 가진다. 각각의 분석물-특정 감지층 (1708)은 광원 (1702) 조사 스펙트럼에 대하여 비-중심적인 흡수 및 형광 스펙트럼을 가진다. 특정 분석물 존재로 인하여 특정한 분석물-특정 감지층 (1708)의 흡수 및 형광 방출 변화가 초래되고 이는 연관 파장 중심 검출기 (1704)에 의해 검출된다. 일부 실시형태들에서, 파장 중심 검출기 어레이 (1704)는 검출기들 (1704)에 직접 적층되는 분석물-특정 코팅물들 (1708)을 가진다 (예를들면, 통합 구조체를 형성한다). 분석물-특정 검출을 위하여, 상이한 코팅물들 (1708)이 각각의 검출기 (1704)에 도포되어 각각의 검출기 (1704)에서는 예를들면 성분 분석에 대한 특정 검출을 제공할 수 있다. 도 17의 실시형태에 의하면, 감지층 어레이 (1708) 중 각각의 감지층에서 흡수 및 형광 강도에 대한 분석물-유도 변화를 이용하여 파장 중심 검출기 어레이 (1704)의 각각의 검출기에 충돌하는 빛의 분광 분포 중심 변화를 일으킨다. 흡수 및 형광 방출 모두에 의해 광 중심이 변경되는 구성은 특히 감도가 양호하다.

도 18은 다양한 실시형태들에 의한 검출 장치 (1802)의 블록도를 도시한 것이다. 장치 (1802)는 광도파관 (1810) 내로 전달되는 입사광을 발생시키는 광원 (1806)을 포함한다. 광도파관 (1810)은 감지층 (1812) 또는 감지층 어레이 (1812)를 포함하고, 각각은 특정 분석물 또는 자극 존재에서 광학 특성이 변화되는 분석물-특정 물질을 포함한다. 감지층 (1812)은 광도파관 (1810)에 배치되어 입사광과 상호작용하고 특정 분석물 존재에 대한 응답으로 비대칭적으로 입사광의 분광 분포를 변경시킨다. 변경된 입사광은 광도파관 (1810)에서 파장 중심 검출기 (1815)로 전달된다.

일부 실시형태들에 따르면, 검출기 (1815)는 광검출기 (1824)와 광학적으로 연결되는 선형 가변 필터 (1822)를 포함한다. 검출기 (1815)는 특정 분석물 존재에 대한 응답으로 입사광의 분광 분포 중심에 대하여 변경된 입사광의 중심 이동을 결정한다. 또한 검출기 (1815)는 변경된 입사광 중심 이동 등급 (예를들면, 특정 분석물 농도 또는 자극 등급)을 결정하도록 구성된다.

다양한 실시형태들에 의하면 광검출기 (1824)는 위치-의존 광 검출소자로 구현된다. 일부 구성에서, 예를들면, 광검출기 (1824)는 상기된 유형의 분할 다이오드 광검출기로 구현된다. 광검출기의 분할 영역 (예를들면, 영역 I 및 II)에서의 광전류를 이용하여, 검출기 (1815) 회로 (1828)에 의해 파장 영역에서의 광 분포 중심이 결정된다. 회로 (1828)는, 예를들면, 광검출기 (1824)의 검출 영역 I 및 II에서의 광전류 차이를 측정하고 상기 차이를 광전류의 합과 나누어, 투과 광 중심의 실제 위치에 대한 정보를 포함하는 신호를 제공한다. 강도 변동에 대하여 판독 신호를 안정화시키기 위하여, 신호를 총 입사 강도를 이용하여 회로 (1828)에 의해 정규화한다 (예를들면, 상기된 차동 신호 S_Diff). 검출기 (1815)는 광도파관 (1810)로부터의 광을 선형 가변 필터 (1822) 입사 표면으로 시준 및/또는 분산시키는 선택적인 분리기 요소 (1820)를 포함할 수 있다.

검출 장치 (1802)는 선택적 처리기 (1832) 및/또는 디스플레이 (1830)를 포함하거나 이들과 연결될 수 있다. 처리기 (1830)는 더욱 큰 시스템, 예컨대 분석기의 일부일 수 있고 검출기 (1815)와 결합되어 특성 및 기능성을 개선시킨다. 예를들면, 처리기 (1830)는 검출기 (1815)와, 데이터 수집, 검출기 (1815)의 프로그램 가능한 요소들 (예를들면, 회로 (1828)) 갱신, 검출기 (1815) 교정, 및 검출기 (1815)와 다른 장치들 및 인터페이스 (예를들면, 인터넷 인터페이스)의 통신 연결을 포함한 다양한 목적으로 통지적으로 연결된다. 선택적 디스플레이 (1830)는 검출기 회로 (1828)와 직접 연결되거나 (예를들면, 입/출력 인터페이스) 또는 처리기 (1832)를 통하여 간접적으로 연결된다. 검출기 (1815)에 의해 기록되는 데이터는 디스플레이 (1830)에, 예컨대 문자 및 그래프 형태로 제시될 수 있다.

본 발명은 다양한 실시형태들은 상대적으로 저렴하게 특정 분석물(들)을 고도로 정확하게 검출할 수 있다. 일부 실시형태들, 예를들면, 단지 필요한 것은 저렴한 광원 (예를들면, LED) 및 저렴한 판독 센서이다. 전기된 바와 같이, 본 방법은 소스 변동을 보상하기 위하여 다른 파장 영역에서의 감지를 필요로 하지 않고, 따라서 검출 방법은 비교 판독 수단보다 더욱 소형으로 더욱 저렴하게 구현될 수 있다. 일부 실시형태들에서, 예를들면, 판독 센서는 입사 광원의 강도 변동 및 검출기 광학 경로에서 추가되는 바람직하지 않은 강도 변동에 민감하지 않다. 본 발명의 실시형태들은 강도-부호화 센서를 본질적으로 이점들을 가지는 파장-부호화 센서로 효과적으로 전환시킨다.

개시된 파장 검출 기술의 실시형태들은 상대적으로 광폭의 FWHM을 가지는 광 (예를들면, LED)의 중심 파장 이동에 대하여 아주 민감하다는 것을 보였다. 본원에 개시된 판독 방법의 실시형태들은 오히려 넓은 흡수 밴드 내에서도 강도 변화를 추적하기에 아주 적합하다는 것을 보였다. 개시된 검출 방법의 실시형태들은 현존 검출 물질 및 검출 장치와 상용된다는 것을 확인하였다. 예를들면, 본 발명의 판독 방법은 센서 자체를 유지하면서도 현존 검출 방법을 대체할 수 있다. 본 발명의 판독 방법은 광범위한 검출 밴드에 적합하고 또한 검출 및 추적 대상 흡수 피크 폭에서도 조정이 가능하다.

본원에 개시된 시스템, 장치, 또는 방법은 본원에 개시된 하나 이상의 특징부, 구조, 방법, 또는 이들의 조합을 포함한다. 예를들면, 장치 또는 방법은 본원에 개시된 하나 이상의 특징부 및/또는 방법을 포함하도록 구현된다. 이러한 장치 또는 방법은 본원에 개시된 모든 특징부 및/또는 방법을 포함할 필요는 없지만 유용한 구조 및/또는 기능성을 제공하는 선택된 특징부 및/또는 방법을 포함하여 구현될 수 있다.

Claims

입사광과 상호작용하고 특이 분석물 존재에 응답하여 상기 입사광의 분광 분포를 비대칭적으로 변경시키는 분석물-특이 센서 물질(analyte-specific sensor material); 및
상기 변경된 입사광을 감지하고 상기 특이 분석물 존재에 응답하여 상기 입사광의 분광 분포 중심에 관련된 상기 변경된 입사광의 분광 분포 중심 이동(shift)에 대한 정보를 포함하는 적어도 하나의 전기신호를 발생시키도록 구성된 검출기를 포함하는, 시스템.
제1항에 있어서, 상기 분석물-특이 센서 물질은 상기 입사광을 방출하는 광원 조사 스펙트럼에 대하여 중심이 일치하지 않는 흡수 스펙트럼을 가지는, 시스템.
제1항에 있어서, 상기 분석물-특이 센서 물질은 상기 입사광을 방출하는 광원 조사 스펙트럼에 대하여 중심이 일치하지 않는 형광 스펙트럼을 가지는, 시스템.
제1항에 있어서, 상기 분석기는 상기 변경된 입사광 중심 이동의 크기 (magnitude)를 결정하도록 구성되는, 시스템.
제1항에 있어서, 상기 분석물-특이 센서 물질은 검출기에 배치되는, 시스템.
제1항에 있어서,
상기 입사광은 발광소자에 의해 발생되고;
상기 분석물-특이 센서 물질은 상기 발광소자에 배치되는, 시스템.
제1항에 있어서,
상기 입사광은 발광소자에 의해 발생되고;
광도파관은 상기 발광소자 및 상기 검출기 사이에 배치되고;
상기 분석물-특이 센서 물질은 상기 광도파관에 배치되는, 시스템.
제1항에 있어서,
상기 분석물-특이 센서 물질은 상기 입사광과 상호작용하는 분석물-특이 물질 어레이를 포함하고, 상기 각각의 분석물-특이 물질은 각각의 상기 분석물-특이 물질과 관련된 특이 분석물 존재에 응답하여 상기 입사광의 분광 분포를 비대칭적으로 변경시키고;
상기 검출기는 상기 특이 분석물 존재에 응답하여 상기 입사광의 분광 분포 중심에 관련된 각각의 상기 변경된 입사광 중심들의 이동을 결정하도록 구성되는, 시스템.
제8항에 있어서, 발광소자들의 어레이를 더욱 포함하고, 각각의 발광소자는 특정한 분석물-특이 물질과 연관된 빛을 방출하는, 시스템.
제9항에 있어서, 각각의 발광소자에 의해 방출되는 상기 빛은 스펙트럼에서 이동되어 특정한 분석물-특이 센서 물질에 대한 상기 입사광을 발생시키는, 시스템.