KR20170015967A - 나노 입자 분석기 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 방법은, 다중 스펙트럼 분석을 이용하여 유체 샘플에 공존하는 동일하거나 유사하거나 서로 다른 크기의 개별 나노 입자를 탐지하고 분석하는 방법을 제공한다. 다수의 광원은 다양한 서로 다른 파장 대역에서 다수의 광선 빔을 생성하도록 된다. 광학 조립체는 하나 이상의 입사 광 시트로 다수의 광선 빔을 컴바인하도록 된다. 각각의 입사광 시트는 액체 샘플에서 하나 이상의 나노 입자를 조사한다. 하나 이상의 이미지 디텍터는 다수의 파장 길이를 이용하여 하나 이상의 나노 입자에 의해 산란되고 발광된 광을 탐지하도록 된다. 다수의 파장 길이는 다수의 광선 빔의 서로 다른 스펙트럼 파장 대역에 대응한다. 관련된 장치, 시스템, 기술 및 제품이 설명된다.
Description
본 출원은 그 전체가 본원에 편입되는 것으로서, “나노 입자 분석기”라는 명칭으로 2014년 6월 3일자로 추원된 미국 가출원 제62/007,312호에 대하여 미국 특허법 제119조 e 항에 따라 우선권을 주장한다.
본원이 청구하는 대상은 미국 과학 재단에 의해 지원을 받는 허가 번호 OCE-11026870호에 의해 정부 지원을 받는다. 정부는 본 발명에 대하여 임의의 권리를 가진다.
나노입자는 어디에나 존재하며 현재까지는 지구 자연환경에서 가장 풍부한 입자상 물질이고 널리 퍼져 있으며 인간 활동에 관련된 분야에 적용된다. 자연적으로 발생되는 유형의 나노 입자와 인공적인 유형의 나노 입자가 있다. 나노 입자는 공기중에, 수생 환경속에, 빗물속에, 식용수 속에, 바이오 유체 속에, 의약물 속에, 약물 운반속에, 치료재 속에, 그리고 많은 산업 제품의 다양한 범위 속에 존재한다. 나노 입자는 다양한 크기의 입자들이 함께 생성되는 특징이 있는 복잡분산 집합(polydisperse assemblage) 내에서 생성된다.
나노 입자들이 널리 사용되는 것을 고려하면, 이러한 물성들을 제어하고 정확하게 특징짓는 능력이 다양한 분야에서 유용하다. 나노 입자 물성을 측정하는 일반적인 방법은 많은 응용 분야에서 일반적인 혼합된 나노 입자 크기의 복잡 분산 샘플에 있어서 부정확하다. 이러한 종래의 접근 방식들은 샘플 내에 다량의 나노 입자의 총체에 대하여 측정을 하였다. 모든 나노 입자로부터 산란된 광은 동시에 측정되기 때문에, 다양한 크기의 입자가 존재하는 경우에 이들을 구성하는 크기로 나노 입자들을 분석하는 것은 쉽지 않다. 다른 접근 방식은 나노 입자의 크기의 범위들에서 다양한 크기의 나노 입자로 인하여 생성되는 산란된 광의 강도의 큰 차이를 설명하지 못하였다. 이러한 접근 방법은 작은 나노 입자로버터의 낮은 산란 신호는 탐지되지 않거나, 큰 나노 입자로버터의 높은 산란 신호는 보다 작은 나노 입자로부터의 신호를 이해하기 어렵게 하였다. 이러한 차이들의 결과로서, 주어진 임의의 크기의 나노 입자의 농도 및 그에 따른 전체 크기 분산은 알수 없는 오류를 겪을 수 밖에 없다.
다수의 실시예에서, 다중 스펙트럼 분석을 이용하는 유체 샘플에서 동시에 존재하는 동일하거나 유사하거나 서로 다른 크기의 개별 나노 입자들을 탐지하고 분석하기 위한 시스템, 방법, 및 제조 장치가 제공된다.
일특징에서, 다수의 광원은 다양한 스펙트럼 파장대역에서 다수의 광선 빔을 생성하도록 구성된다. 광학적 조립체는 하나 이상의 입사광 시트로 다수의 광선 빔을 조합하도록 구성된다. 각각의 입사광 시트는 액체 샘플의 하나 이상의 나노 입자를 조사한다. 하나 이상의 이미지 디텍터는 다수의 파장을 이용하여 하나 이상의 나노 입자에 의해 산란되는 광을 탐지하게 된다. 다수의 파장은 다수의 광선 빔의 다양한 스펙트럼 파장대역에 대응하게 된다.
다수의 실시예에서, 전술한 방법, 장치 및 시스템은 하나 이상의 하기의 특징을 추가로 포함한다.
기록 장치는 하나 이상의 영상에서 하나 이상의 디텍터로부터 얻어진 순차적인 이미지를 기록하도록 된다.
하나 이상의 프로세서는 순차적인 이미지들로부터 적어도 2개의 이미지에 기초하여 하나 이상의 나노 입자의 움직임을 적어도 탐지하고 추적하도록 된다. 2개 이상의 이미지는 하나 이상의 나노 입자에 의해 하나 이상의 입사광 시트의 산란을 디스플레이하게 된다. 하나 이상의 프로세서는 하나 이상의 영상으로부터의 하나 이상의 나노 입자의 입자 크기 분포를 결정하게 된다. 상기 입자 크기 분포는 하나 이상의 나노 입자 직경에 대한 하나 이상의 농도값을 포함한다.
탐지하고 추적하는 단계는 하기의 단계들 중 하나 이상을 포함한다 : 하나 이상의 스펙트럼 이미지 및 각각의 배경 스펙트럼 이미지를 생성하도록 하나 이상의 영상을 하나 이상의 개별 스펙트럼 구성요소로 분할하는 단계; 강도 쓰레스홀드 또는 크기 쓰레스홀드를 포함하는 하나 이상의 기준에 기초하여 하나 이상의 영상으로부터 하나 이상의 오류를 제거하는 단계; 하나 이상의 영상의 예비 선택된 하나 이상의 시작 프레임에 존재하는 하나 이상의 나노 입자들의 부분집합만을 추적하는 단계; 하나 이상의 나노 입자의 드리프트 움직임을 제거하는 단계; 또는 하나 이상의 영상의 하나 이상의 스펙트럼 구성요소로부터 복사된 나노 입자 궤적을 제거하는 단계.
하나 이상의 나노 입자는 움직인다.
하나 이상의 나노 입자는 움직이지 않는다.
각각의 광선 빔은 개별적으로 조절가능한 파워 수준에서 출력이 된다.
광학적 조립체는 하나 이상의 거울, 빔 컴바이너, 슬릿, 원통형 렌즈, 또는 원거리에서 작동하는 객체를 포함한다.
다수의 광선 빔은 가시 광선 스펙트럼의 일부이다.
다수의 광선 빔은 청색 스펙트럼 파장대역, 녹색 스펙트럼 파장대역 및 적색 스펙트럼 파장대역을 가진 광선 빔을 포함한다.
하나 이상의 이미지 디텍터는 다수의 광선 빔의 다양한 스펙트럼 파장대역을 개별적으로 탐지하도록 된 베이어 패턴(Bayer pattern) 필터를 포함한다.
하나 이상의 이미지 디텍터는 개별 컬러 픽셀을 가지는 하나 이상의 베이어 패턴 이미지를 생성하도록 된 베이어 패턴 필터를 포함한다.
광학 조립체는 액체 샘플 및 다수의 광원간에 배치된 편광기를 추가로 포함한다. 상기 편광기는 하나 이상의 입사광 시트로부터 액체 샘플에 전달되는 열 에너지에 대하여 액체 샘플의 조사를 최적화하도록 산란 평면에 대하여 다수의 광선 빔을 수직하게 편광하도록 구성된다.
하나 이상의 이미지 디텍터는 하나 이상의 나노 입자에 의해 동시에 산란되는 광을 다수의 파장 대역에서 추가로 탐지하도록 된다.
하나 이상의 이미지 디텍터는 하나 이상의 나노 입자에 의해 방출된 형광 및/또는 방사에 의해 생성되는 광을 적어도 추가적으로 탐지하도록 된다.
전술한 일반적인 설명 및 하기의 상세한 설명은 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 추가적인 특징 및/또는 변형예는 여기서 이러한 것들에 추가될 수 있다. 예를 들어, 본원에서 설명되는 실시예는 상세한 설명에서 하기에서 설명되는 다수의 조합 및 서브 조합 및/또는 특징의 다양한 조합 및 서브 조합에 대한 것이다.
본원에서 설명된 예시적인 실시예에 의하면 나노 입자의 탐지가 증진된다.
명세서를 구성하는 첨부된 도면은 본원의 주제의 특징을 상세한 설명과 함께 도시하며, 본원의 주제에 관련된 원리를 설명하는 것을 보조한다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 개별 나노 입자를 탐지하고 분석하는 시스템을 도시한다.
도 2는 예시적인 실시예에 따른 선형 편광된 광을 사용하여 액체 샘플을 조사하는 것을 도시한다.
도 3은 예시적인 실시예에 따른 나노 입자의 움직임의 이미지 데이터를 분석하는 과정을 도시한다.
도 4는 다수의 예시적인 실시예에 따른 베이어 패턴 필터를 가진 비디오 카메라로부터 생성된 다양한 스펙트럼 대역에서의 단일 나노 입자의 이미지를 도시한다.
도 5는 다수의 예시적인 실시예에 따라, 물속에 부유하는 직경 50 나노미터 내지 800 나노미터 사이의 크기의 폴리스티렌 나노 입자의 이미지를 도시한다.
도 6a 및 도 6b는 예시적인 실시예에 따라, 나노 구형 표준 크기의 복잡분산 혼합물로써 행해진 실험 결과를 플로팅한 도면이다.
도면에서 동일하거나 유사한 구성요소에는 유사한 부호가 사용되었다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 개별 나노 입자를 탐지하고 분석하는 시스템을 도시한다.
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도면에서 동일하거나 유사한 구성요소에는 유사한 부호가 사용되었다.
본원 발명은 다중 스펙트럼 분석을 사용하여 액체 매체에서 가변하는 크기의 개별 나노 입자를 탐지, 추적 및 분석하는 기술을 제공한다. 다수의 실시예에서, 개별 나노 입자는 약 10 나노미터에서 약 1 마이크로미터의 크기 범위를 가진다. 이러한 기술은 개별 나노 입자의 브라운 운동을 기록하고 액체 샘플에서 부유되는 나노 입자를 조사한다. 이러한 기록은 나노 입자의 입자 크기 분산을 결정하도록 분석된다. 나노 입자 분산은 입자 크기 빈 내에서 샘플의 단위 부피당 나노 입자의 개수를 나타낸다.
도 1은 본원에서 설명되는 기술을 수행하기 위한 예시적인 시스템(100)을 도시한다. 광원(105)은 나노 입자들의 액체 샘플을 조사하는 다수의 광선 빔을 발생시킨다. 광원(105)은 하나 이상의 레이저, 하나 이상의 발광다이오드(LED), 및 이들의 조합을 포함한다. 도 1의 구현예에서, 광원(105)은 개별적으로 조절된 출력 전원 수준에서 다양한 파장 길이에서 광을 출력하는 3개의 광원(105a, 105b, 105c)을 포함한다. 예를 들어, 광원(105a)은 가시 전자기장 스펙트럼의 적색 스펙트럼 파장대역에서 광선 빔(예를 들어 650nm)을 출력하며, 광원(105b)은 가시 전자기장 스펙트럼의 녹색 스펙트럼 파장대역의 광선 빔(예를 들어 520nm)을 출력하며, 광원(105c)은 가시 전자기 스펙트럼의 청색 스펙트럼 파장대역에서 광선 빔(예를 들어 470nm)을 출력한다. 도 1에서 3가지 광원이 사용되는데, 임의의 개수의 파장대역에서 작동하는 임의의 개수의 광원이 사용될 수 있으며 예를 들어, 전자기 스펙트럼의 가시 영역의 외측의 파장대역을 포함할 수 있다. 예를 들어 일부 실시예에서, 단지 하나의 튜닝 가능한 레이저 광원(105)가 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 광원(105a, 150b, 105c) 중 1개 또는 2개가 사용될 수 있다.
광원(105a, 105b, 105c)으로부터의 광선 빔은 부유하는 나노 입자의 액체 샘플을 조사하는 하나 이상의 다중 컬러 광 표면(또는 시트)로 결합될 수 있다. 다양한 광학적 구성요소를 가지는 광학적 조립체가 이러한 광선 빔을 조합하는데 사용될 수 있다. 상기 광학적 조립체의 광학적 구성요소는 예를 들어, 하나 이상의 거울, 빔 컴바이너(beam combiner), 슬릿, 원통형 렌즈, 원거리 작동 객체, 등 이들의 결합을 포함한다. 예를 들어 도 1의 실시예에서, 거울(110a, 110b, 110c)은 광원(105a, 105b, 105c)로부터 광선 빔 출력을 각각의 거울(113)으로 반사시킬 수 있다. 거울(113)은 단일 다중 컬러 광 시트로 개별 광선 빔을 컴바인한다. 상기 단일 다중 컬러 광 시트는 큐벳(120)과 같은 샘플 용기에 담겨진 나노 입자의 액체 샘들을 조사하기 위하여 하나 이상의 슬릿(117) 및 원거리 작동 객체(119)를 통과한다. 다수의 실시예에서, 원통형 렌즈는 슬릿(117) 대신에 사용될 수 있다. 다수의 실시예에서, 상기 단일 다중 컬러 광 시트는 도 2에 대하여 아래에서 설명하는 바와 같이 액체 샘플을 조사하기 전에 편광기(115)를 선택적으로 통과하게 된다. 큐벳(120) 및 그 액체 샘플은 액체 샘플의 온도를 제어하고 측정하도록 샘플 홀더에 배치된다. 도 1의 실시예의 광학적 구성요소의 배열은 레이저 광원(105)의 사용에 연계된다. 광학적 구성요소의 다른 배열은 다른 유형의 광원(105)이 사용될 때에 사용될 수 있다.
액체 샘플에 부유하는 나노 입자들은 다중 컬러 광 시트로부터의 입사광을 산란시키게 된다. 액체 샘플은 다양한 크기의 나노 입자를 가지게 되므로, 이러한 나노 입자에 의해 산란되는 광의 총량은 가변하게 된다. 원격 작동 거리 객체(123)는 산란각도의 예정된 범위 내에서 산란광을 수집하게 된다. 원격 작동 거리 객체(123)의 개구수는 수집된 산란광의 각을 결정하게 된다. 액체 샘플의 나노 입자들은 입사 다중 컬러 광 시트의 방향에 대하여 약 90도의 각으로 축 주위에서 중심이 맞추어지도록 광을 산란시키게 된다. 원격 작동 거리 객체(123)는 중심축에 대하여 약 ± 10도 내지 약 ± 20도의 각도 내에서 산란된 광을 수집한다. 도 1의 예시적인 실시예에서, 원거리 작동 객체(123)는 비록 다른 산란각 및 광 수집 구성이 구현된다고 하더라도 약 75도 내지 약 105도의 각으로 산란된 광을 수집하게 된다.
산란된 광은 튜브 및 렌즈(125)를 통하여 전파되며, 이미지 캡쳐 장치(127)는 산란된 광을 탐지하고 기록하게 된다. 산란된 광을 생성하는 샘플의 부피는 예를 들어 1 나노리터(nL)의 수준으로 된다. 도 1의 실시예에서, 이미지 캡쳐 장치(127)는 다른 유형의 이미지 캡쳐 장치가 사용될 수도 있지만 예를 들어 디지털 비디오 카메라와 같은 비디오 카메라 시스템일 수 있다. 이미지 캡쳐 장치(127)는 광원(105)으로부터의 광선 빔 출력과 동일하거나 실질적으로 유사한 파장대역의 산란된 광에 의해 제공된 정보를 동시에 탐지하고 기록한다. 다수의 실시예에서, 2개의 별도의 장치는 도 1의 실시예에 도시된 것과 같은 단일 장치로 이러한 가능을 통합하는 대신에 산란된 광에 의해(예를 들어 개별 디텍터와 개별 레코더에 의해) 제공된 정보를 탐지하고 기록하게 될 수도 있다.
광원(105a, 105b, 105c)이 적색, 녹색, 청색 파장 길이의 레이저라면, 예를 들어 이미지 캡쳐 장치(127)는 3가지 파장 길이의 각각을 개별적으로 탐지할 수 있는 디텍터를 가지는 컬러 비디오 카메라일 수 있다. 예를 들어, 광원(105a)이 적색 스펙트럼 파장대역 내의 특정 파장(예를 들어 650nm)에서 광선 빔을 출력한다면, 이미지 캡쳐 장치(127)는 적색 스펙트럼 파장대역 전체 또는 그 일부에서 광을 탐지하도록 될 수 있다. 유사하게, 광원(105b)가 녹색 스펙트럼 파장대역에서 특정 파장 길이(예를 들어 520nm)에서 광선 빔을 출력한다면, 이미지 캡쳐 장치(127)는 녹색 스펙트럼 파장대역의 전체 또는 그 일부에서 광을 탐지하도록 될 수 있다. 유사하게, 광원(105c)가 청색 스펙트럼 파장대역에서 특정 파장 길이(예를 들어 470nm)에서 광선 빔을 출력한다면, 이미지 캡쳐 장치(127)는 청색 스펙트럼 파장대역의 전체 또는 그 일부에서 광을 탐지하도록 될 수 있다. 도 1의 예에서, 베이어 패턴 디텍터(또는 필터)(129)는 포토 센서의 픽셀 어레이에 사용된다. 베이어 필터 패턴(129)의 경우, 50% 녹색, 24% 적색, 25% 청색으로 2x2 픽셀 그리드로 되며, 2개의 녹색 픽셀은 비록 다른 디텍터 구조도 사용될 수 있지만 대각선으로 배치된다. 베이어 패턴 필터를 사용함으로써 이미지 캡쳐 장치(127)는 베이어 패턴을 RGB 픽셀로 컴바인(베이어 패턴을 컴바인 하는 것은 파장/컬러를 개별적으로 탐지함으로써 제공되는 탐지 해상도를 잃을 수도 있으므로) 하지 않고서도, 3개의 개별 파장/컬러 각각에서 나노 입자 광 산란을 개별적으로 탐지하고 기록할 수 있게 된다. 다른 실시예에서, 이미지 캡쳐 장치(127)는 비록 다른 유형의 디텍터도 사용될 수 있지만, 다양한 광 파장대역에서 데이터를 탐지하는 3CCD 비디오 카메라를 포함한다. 비록 다수의 디텍터(예를 들어 베이어 패턴에서의 각각의 레이저 광원에 대하여 하나의 경우)를 가지는 단일 비디오 카메라도 실시될 수 있지만, 다양한 파장대역은 광원(105a, 105b, 105c)에 의해 광 출력의 스펙트럼 대역에 대응한다.
이미지 캡쳐 장치(127)는 나노 입자의 샘플에 의해 산란된 광에 기초한 하나 이상의 동영상을 기록한다. 이러한 동영상은 나노 입자의 브라운 운동을 나태느는 정보를 담고 있다. 개별 나노 입자들은 이러한 동영상에서 브라운 운동을 수행하는 명점으로 보여진다. 이미지 캡쳐 장치(127)는 적어도 25 초당 프레임(FPS)로 이러한 동영상을 기록한다. 다양한 길이의 동영상이 사용될 수 있으며, 각각의 동영상은 10초 내지 15초 인 것이 바람직한데 그 이유는 동영상의 길이는 개별 나노 입자의 브라운 운동의 통계적인 중요한 추적 및 분석에 적합하기 때문이다. 예를 들어, 이미지 캡쳐 장치(127)가 30 초당 프레임으로 동영상을 기록한다면, 단일 동영상의 길이는 약 10초 내지 15초가 될 것이다 (또는 300 프레임 또는 450 프레임).
이미지 캡쳐 장치(127)는 통계적으로 탄탄한 결과를 보장하기 위하여, 주어진 샘플의 다양한 표본에 대한 복수개의 동영상을 기록한다. 이러한 동영상은 원데이터(raw data) 또는 원패턴(raw pattern)으로서 저장된다. 예를 들어, 이미지 캡쳐 장치(127)가 컬러 비디오 카메라라면, 이러한 동영상은 원(raw) 베이어 패턴으로 저장된다. 이러한 동영상은 이미지 캡쳐 장치(127)에 저장되거나 컴퓨터 장치(130)에 원격 저장된다. 컴퓨터 장치(130)는 나노 입자의 농도 및 크기 분포를 결정하기 위하여 이러한 비디오 데이터의 원 패턴을 분석하도록 된 하나 이상이 프로세서를 포함한다.
전술한 바와 같이, 시스템(100)은 편광기(115)를 선택적으로 포함할 수있다. 편광기(115)는 액체 샘플을 조사하기 전에 산란 표면에 대하여 다중 컬러 광 시트를 수직하게 편광시킨다.
일반적으로, 나노 입자 탐지의 민감도는 산란광의 세기에 영향을 받게 된다. 아래에서 설명되는 바와 같은 산란각에서, 수직하게 편광된 광의 기여는 지배적이며, 수평하게 편광된 광의 기여는 실질적으로 무시할만하다. 도 2는 랜덤하게 편광된 광선 빔(210)을 사용하여 액체 샘플에서 나노 입자를 조사하는 것을 도시한다. 입사 빔의 수평 요소는 나노 입자의 액체 샘플을 가열하게 된다. 이러한 가열은 나노 입자의 탐지에 악영향을 미치게 된다. 시스템(100)에 편광기(115)를 추가하는 것은 입사 빔의 수평 성분을 제거하게 되며, 나노 입자 탐지에 대한 악영향을 감소시키게 된다. 편광기(115)는 입사 빔(210)의 수직 성분이 나노 입자를 때리는 것을 허용하는데 이것은 나노 입자 탐지에 영향을 주지 않는다. 왜냐하면 수직하게 편광된 광(220)은 수직각 부근에서 산란 강도의 주된 성분이기 때문이다.
나노 입자는 형광과 같은 발광을 하게 되는데, 예를 들어, 입사광선 빔과 상호작용에 기인하여 발광하게 된다. 이미지 캡쳐 장치(127)는 산란광의 탐지에 대하여 전술한 바와 유사한 방식으로 예를 들어 형광과 같은 발광을 탐지하게 된다.
다수의 실시예에서, 본원의 발명은 다양한 크기의 나노 입자의 저노출 및 과노출에 관련된 문제점을 제거하기 위한 시스템 및 방법을 제공한다. 이러한 문제점들은 나노 입자에 의해 산란된 광의 동시 다중 스펙트럼 탐지 및 다양한 스펙트럼 대역에서 다양한 강도 조사 빔을 사용하여 다중 스펙트럼 샘플 조사를 조합함으로서 해결된다.
예를 들어, 작은 나노 입자(예를 들어 약 100 내지 200nm미만)에 의해 형성된 산란 강도는 녹색 및 적색 스펙트럼 대역보다 청색 스펙트럼 대역에서 더 강하다. 작은 나노 입자의 탐지 및 분석을 최적화하기 위하여, 비교적 높은 출력 파워(예를 들어 약 500 mW 내지 1000 mW의 범위)에서 작동하는 청색 광원(105c)는 액체 샘플을 조사하는데 사용될 수 있다. 유사한 방식으로, 중간 나노 입자(약 100-200nm 및 400-500nm)의 탐지와 분석은 녹색 광원(105b)로써 샘플을 조사함으로써 최적화될 수 있다. 녹색 광원(105b)은 청색 광원보다 낮은 출력 전력(예를 들어 50mW 내지 200mW)에서 작동할 수 있다. 큰 나노 입자(예를 들어 400-500nm 초과)의 탐지와 분석은 낮은 출력 전력(예를 들어 20 내지 100mW)에서 작동하는 적색 광원으로써 샘플을 조사함으로써 최적화된다.
컴퓨터 장치(130)는 각각 청색, 녹색, 및 적색 컬러에서 기록된 비디오 정보 및/또는 이미지를 동시에 이용하여 동일한 액체 샘플로부터 작은 나노입자, 중간 나노입자, 큰 나노입자의 범위를 포함하는 모든 나노 입자를 분석하게 된다. 이러한 크기 범위는 서로 오버랩되므로, 본원에서 설명되는 발명으로 인하여 나노 입자의 전체 범위에 대한 나노 입자들의 농도와 크기 분포에 대한 동시 결정이 가능하게 된다. 대비하여, 액체 샘플이 일정한전력에서 단일 모노크로매틱 광선 빔으로써 조사된다면, 낮은 산란강도 광을 생성하는 작은 나노 입자는 저노출되거나 과노출될 수 있다. 이러한 악영향은 작은 나노 입자에 대한 저평가를 초래할 수 있다. 유사하게, 큰 나노 입자는 높은 산란 강도 광을 생성하므로 과노출될 수 있다. 이러한 과노출은 이러한 입자들의 브라운 운동의 추적, 이러한 입자들의 크기의 결정, 큰 과노출된 입자들에 인접하게 배치된 작은 저노출된 나노 입자들의 탐지 성능에 영향을 주는 인자를 도입하게 된다.
컴퓨터 장치(130)는 도 3에 도시된 바와 같이 이미지 캡쳐 장치(127)로부터의 데이터(예를 들어 이미지 데이터, 비디오 데이터, 등)를 분석하고, 액체 샘플의 나노 입자들의 입자 크기 분산의 결정(예를 들어 나노 입자 크기의 함수로서 나노 입자의 농도)을 하는 과정(300)을 도시한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 비디오 데이터는 나노 입자의 브라운 운동을 나타내며, 원 픽셀 패턴에 기록된다.
컴퓨터 장치(130)는 비디오 기록 및 획득 응용 프로그램을 사용하여 비디오 데이터를 획득하게 된다. 이러한 프로그램은 시스템(100)에 대한 다양한 작동을 수행하도록 구성된다. 예를 들어, 이러한 프로그램은 소정의 간격 또는 요구시에 액체 샘플의 온도 측정치를 취하게 된다. 컴퓨터 장치(130)는 나노 입자에 관련된 브라운 확산 계수로부터 나노 입자 직경을 계산하도록 이러한 온도 측정치를 사용한다. 이러한 프로그램은 광원(105a, 105b, 105c)의 출력을 설정하고 판독하며, 액체 샘플을 큐벳(120)으로 운반하는 것을 제어하게 된다. 상기 프로그램은 하나 이상의 데이터 획득 파라미터를 가지는 입력 파일을 포함한다. 이러한 입력 파일은 이미지 캡쳐 장치(127)를 사용하여 일련의 동영상(예를 들어 하나 이상의 이미지, 디지털 비디오, 등) 도는 동영상의 기록을 시작하게 된다. 비디오 기록 및 획득 응용 프로그램에 의해 수집된 데이터는 컴퓨터 장치(130) 또는 이미지 캡쳐 장치(127)에 로그 파일로 저장된다. 컴퓨터 장치(130)는 수집된 이미지 데이터 및 비디오 데이터를 분석하도록 이러한 로그 파일을 이용한다.
처리 과정(300)은 하위 처리 과정(305, 310, 315, 320, 325, 330)으로 구분된다. 이러한 하위 처리 과정은 아래와 같다.
하위 처리과정(305)에서, 컴퓨터 장치(130)는 이미지 캡쳐 장치(127)로부터 수집된 비디오 데이터를 처리한다. 305a에서, 컴퓨터 장치(130)는 이미지 캡쳐 장치(127)에서 수집된 비디오 데이터를 스펙트럼 요소로 분할하게 된다. 도 1과 관련하여 전술한 바와 같이, 이미지 캡쳐 장치(127)는 예를 들어 베이어 필터 패턴을 가지는 컬러 카메라일 수 있다. 상기 컬러 카메라는 베이어 필터를 사용하여 원 패턴 모드에서 나노 입자의 움직임을 기록한다. 하위 처리 단계(305a)에서, 컴퓨터 장치(130)는 동영상의 각 프레임에 대한 비디오 데이터로부터 적, 녹, 및 청 성분(예를 들어 그레이 스케일 강도 또는 픽셀의 휘도)를 개별적으로 추출한다. 305a에서 R, G, B 는 각각 적, 녹 및 청색 스펙트럼 파장대역에 기록된 원 비디오 데이터를 가리킨다.
305b에서, 컴퓨터 장치(130)는 움직이는 평균을 이용하여 누락된 픽셀을 채우게 된다. 이미지 캡쳐 장치(127)는 비디오 데이터를 기록하는 베이어 패턴 필터를 사용하기 때문에, 각각의 픽셀은 적, 녹 및 청색 중 하나만을 기록한다. 예를 들어, 2x2 픽셀 그리드에서, 픽셀(예를 들어 2 픽셀) 중 50% 만이 녹색이다. 컴퓨터 장치(130)는 움직이는 평균값을 이용하여 휘도값으로써 누락된 2 픽셀(예를 들어 비-녹색 픽셀)을 백 충전(backfill)하게 된다. 예를 들어, 일한 움직이는 평균값은 4 픽셀의 연장되는 길이를 가진다. 305b에서 R’, G’, B’ 의 심볼은 각 파장대역에서 누락된 픽셀이 채워진 후에 각 적, 녹, 청색 파장대역의 원 비디오 데이터를 가리킨다.
컴퓨터 장치(130)는 305c에서 쓰레스홀드 휠도를 가지는 305b로부터 생성된 비디오 데이터를 필터링하게 된다. 컴퓨터 장치(130)는 동영상의 각 프레임에 대한 픽셀 휘도값의 히스토그램을 결정하고 상기 히스토그램으로부터의 하나 이상의 쓰레스홀드 휘도값을 선택하게 된다. 컴퓨터 장치(130)는 이러한 쓰레스홀드 휘도값에 각 픽셀의 강도값을 비교하게 된다. 예를 들어 픽셀의 강도값이 쓰레스홀드 값보다 작으면, 상기 컴퓨터 장치(130)는 픽셀 강도를 0 으로 설정하여 이미지에서 노이즈(예를 들어 배경 휘도)의 영향을 최소화하게 된다. 305c의 R”, G”, B” 의 심볼은 필터링이 완료된 후에 각 적, 녹, 청색 파장대역에서의 최종 비디오 데이터를 가리킨다.
도 4는 적, 녹, 청색 스펙트럼 대역에서 단일 나노 입자에 의해 산란된 광의 일련의 이미지(410, 415, 420, 425, 430, 435)를 도시한다. 컴퓨터 장치(130)는 베이어 패턴 필터를 가지는 CCD 비디오 카메라를 사용하여 305a, 305b, 305c 에서 행해진 작업에 기초하여 이러한 이미지를 생성한다. 이미지(410, 420, 430)는 각각 청, 녹, 적 스펙트럼 대역에서의 나노 입자의 원 처리되지 않은 이미지를 도시한다. 이러한 원 이미지에서, 명점은 주어진 특정 스펙트럼 대역 내에서 광을 탐지하는 베이어 패턴의 픽셀에 대응된다. 명점들간의 암영역들은 2개의 서로 다른 스펙트럼 대역으로부터의 픽셀에 대응된다. 이미지(415, 425, 435)는 컴퓨터 장치(130)가 이동하는 평균값을 이용하여 암 픽셀을 채운후에 나노 입자의 이미지를 도시한다. 이러한 이미지들로부터 명확히 드러나는 바와 같이, 적색 대역은 나노 입자가 큰 경우(예시적으로 도시할 경우 직경이 800nm 인 경우), 이미지(435)의 나노 입자의 최상의 이미지를 제공한다.
도 3을 다시 참조하면, 하위 처리 단계(310)에서, 컴퓨터 장치(130)는 비디오 데이터에서 나노 입자의 존재를 특정하고 탐지한다. 310에 도시된 심볼 xyR, xyG, xyB는 각각의 동영상 프레임 및 각각의 스펙트럼 대역에서 탐지된 나노 입자의 x, y, 좌표를 나타낸다. 나노 입자는 동영상 프레임 상에서 명특징부 또는 명색상부로서 표시된다. 컴퓨터 장치(130)는 마리아 엘. 킬포일에 의해 개발된 “입자 예비 추적 및 추적, 그리고 2D 특징 탐지” 알고리즘(“킬포일 알고리즘”으로 지칭됨)으로부터 수정된 것을 사용하여 색상부의 존재를 탐지한다. 컴퓨터 장치(130)는 추가적인 분석을 위하여 비디오 데이터에서 소정의 특징부의 움직임을 찾고 추적하는 킬포일 알고르짐을 사용한다. 일반적으로, 색상부로서 언급되는 나노 입자 특징부는 원형이며 밝게 나타난다. 노이즈 또는 다른 흠결과 관련되는 비-나노입자 특징부는 형태상 타원으로 연장되며, 나노 입자보다 덜 강하고 덜 밝다. 컴퓨터 장치(130)는 각각의 프레임에서 비디오 데이터의 각 스펙트럼 파장대역에서 원하는 나노 입자 특징부를 특정하고 배치하도록 킬포일 알고리즘을 사용한다. 수정된 킬포일 알고리즘은 동영상의 각 프레임에서 그리고 각 파장 대역에서 배경 노이즈 또는 다른 흠결부(비-나노입자) 특징부의 거절 및 색상부의 수용을 최적화한다. 이러한 수정은 아래에서 설명되며, 다른 순서로 조합되어 사용될 수도 있다.
킬포일 알고리즘에 대한 제 1 변형예에서, 컴퓨터 장치(130)는 나노 입자에 대한 크기 쓰레스홀드 값과 강도 쓰레스홀드 값 중 하나 이상을 계산한다. 이러한 파라미터들은 흠결 특징부 또는 배경 노이즈로부터 나노 입자 색상부의 차별화를 보조하게 된다. 컴퓨터 장치(130)는 각각의 스펙트럼 대역 및 동영상의 각각의 프레임에서 이러한 파라미터들 중 하나를 계산한다.
강도 쓰레스홀드는 하나의 프레임에 존재하는 모든 색상부의 강도값에 기초하여 결정된다. 주어진 나노 입자 색상부 또는 흠결 특징부에 대한 강도 값은 색상부 또는 특징부에 의해 감겨진 마스크 아래에서 모든 픽셀의 집적된 강도로서 계산된다. 이러한 계산에서, 픽셀화된 디스크 형상 마스크는 소정의 직경(예를 들어 20 픽셀)을 가지며, 마스크 내의 각각의 픽셀은 1의 값의 강도를 가지는 것으로 가정된다.
크기 쓰레스홀드는 프레임에 존재하는 모든 색상부 및 다른 특징부의 크기 값으로부터 결정된다. 주어진 색상부 또는 다른 특징부의 크기는 색상부 또는 특징부의 자이레이션의 스퀘어된 반경으로서 계산된다.
동영상의 제 1 프레임의 시작부에서, 컴퓨터 장치(130)는 전술한 강도 및 크기 쓰레스홀드 값을 동영상의 각 프레임 및 각 스펙트럼 성분에 적용하여, 노이즈 또는 다른 흠결 특징부로부터 나노 입자들(색상부)를 차별화한다. 컴퓨터 장치(130)는 프레임 바이 프레임(frame by frame) 기초 상의 예비 선택된 초기 프레임으로부터 시작하는 각 스펙트럼 대역에서 시간에 따른 나노 입자를 추적한다. 다수의 실시예에서, 초기 프레임은 동영상의 제 1 프레임이 되지 않는다.
킬포일 알고리즘의 제 2 변형예에서, 컴퓨터 장치(130)는 크기 쓰레스홀드가 적용되는 방식으로 조절한다. 예를 들어, 동영상의 청색 및 녹색 스펙트럼 성분을 분석할 때, 컴퓨터 장치(130)는 프레임에서 색상부의 휘도와 무관하게 크기 쓰레스홀드를 적용한다. 컴퓨터 장치(130)는 이어지는 추적 및 분석을 위한 크기 쓰레스홀드 보다 작은 색상부를 수용한다. 컴퓨터 장치(130)는 크기 스레스홀드보다 큰 색상부는 거절한다. 각각의 프레임에서, 크기 쓰레스홀드는 예를 들어 소정의 색상부 크기보다 작은 평균 색상부 크기 또는 프레임의 색상부의 평균 크기에 대응된다. 소정의 색상부 크기는 예를 들어 디스크 형상 마스크의 크기(직경이 20 픽셀)에 대응한다. 이러한 수정예는 오류 있는 특징부, 특히 청색 파장대역에서) 거절을 촉진하게 된다.
킬포일 알고리즘에 대한 제 3 수정예에서, 컴퓨터 장치(130)는 강도 쓰레스홀드가 적용되는 방식으로 수정한다. 예를 들어, 동영상의 적색 스펙트럼 성분을 분석시에, 컴퓨터 장치(130)는 색상부 크기와 무관하게 강도 쓰레스홀드를 적용한다. 컴퓨터 장치(130)는 강도 쓰레스홀드보다 높은 집적된 강도를 가지는 색상부를 수용한다(예를 들어 나노 입자로서 이들을 수용한다). 컴퓨터 장치(130)는 강도 쓰레스홀드보다 낮은 집적된 강도를 가지는 색상부를 거절한다. 각 프레임에 대하여, 강도 쓰레스홀드는 스칼라 인자(예를 들어 0.1)에 의해 배가된 최고의 집적된 강도에 대응된다.
킬포일 알고리즘에 대한 제 4 수정례에서, 컴퓨터 장치(130)는 개별 색상부에 관련되는 링형상 흠결부를 제거한다. 이러한 흠결부는 샘플에서 색상부가 초점에 맞지 않는 것으로 보일 때 나타나게 되며, 나노 입자의 오탐지로 귀결된다. 이러한 흠결부를 제거하기 위하여, 컴퓨터 장치(130)는 각 프레임에서 이웃하는 색상부 특징부들 간의 거리를 결정한다. 이러한 거리가 소정의 값보다 작다면(예를 들어 프레임에 대한 크기 쓰레스홀드의 선택된 배수), 컴퓨터 장치(130)는 추가적인 분석으로부터의 색상부를 거절하게 된다.
하위 처리 과정(315)에서, 컴퓨터 장치(130)는 나노 입자의 움직임을 추적하게 되며(315a 동안), 나노 입자에 의해 나타내어진 임의의 드리프트(비-브라운 운동)을 제거하게 된다(315b 동안). 전자의 경우 동안, 컴퓨터 장치(130)는 하위 처리 과정(310) 동안에 탐지된 나노 입자의 브라운 운동을 개별적으로 추적한다. 컴퓨터 장치(130)는 각각의 스펙트럼 대역 및 프레임 바이 프레임에 기초하여 시간에 대하여 개별적으로 나노 입자를 추적하게 된다. 추적 과정은 예를 들어 후속하는 프레임(예를 들어 11 픽셀)들 간의 최대 입자 변위, 트랙에서의 프레임의 최소 개수(예를 들어 5), 및 나노 입자의 위치가 결정되지 않은 프레임들간의 최대 간극(예를 들어 4)를 포함하는 다양한 소정의 기준에 기초한다. 이러한 추적은 전체는 아니지만 소정의 기준의 일부를 만족한다면 유효하다고 고려된다. 315a에 도시된 심볼 TR, TG, TB 는 각 스펙트럼 대역에서 기록된 나노 입자의 유효한 추적을 가리킨다. 추적 과정은 동영상의 예비 선택된 초기 프레임(예를 들어 프레임 1)에서 시작되어 동영상이 끝날 때까지 또는 최장 트랙의 끝부분에 도달할 때까지 전체 후속 프레임을 통하여 연속된다.
315a에서 수행된 추적 과정이 킬포일 알고리즘에 기초하는 반면에, 컴퓨터 장치(130)는 이러한 처리 과정의 정확도를 향상시키기 위하여 다양한 증진책을 사용한다. 제 1 특징에서, 컴퓨터 장치(130)는 동영상의 예비 선택된 초기 프레임에서 탐지된 이러한 나노 입자들을 추적하기만 한다. 이러한 변형예는 나노 입자가 다중 카운팅되는 것을 방지하며, 나노 입자가 초기 프레임 후에(예를 들어 그 추적이 종료되므로) 사라지게 되는 상황 및 동영상 동안에 다른 프레임에서 다시 나타나게 되는 상황에서 유용하다. 추가하여, 컴퓨터 장치(130)는 후속 프레임에서 나타나지만 초기 프레임으로부터는 나타나지 않는 “새로운” 나노 입자를 무시하게 된다.
다른 특징에서, 컴퓨터 장치(130)는 얻어진 결과의 통계적 견고성을 향상시키기 위하여 다양한 예비 선택된 초기 프레임을 사용하여 여러 번 추적 과정을 반복한다. 예를 들어, 컴퓨터 장치(130)는 프레임(1, 11, 21, 31, 41)에서 시작하는 주어진 동영상에 대하여 약 5번 전술한 바와 같은 추적 과정을 반복한다. 이러한 반복으로 얻어진 데이터를 평균하여, 컴퓨터 장치(130)는 하나의 동영상에서 얻어진 결과보다는 더 정확한 결과를 얻게 된다. 다수의 실시예에서, 이러한 처리 과정은 샘플의 다양한 표본에 대응하는 다수의 동영상을 얻어서 분석함으로써 액체 샘플의 다양한 표본에 대하여 연장되어 반복될 수 있다.
315b에서, 컴퓨터 장치(130)는 액체 샘플내에서의 나노 입자의 병진 운동을 계산한다. 드리프트 운동은 예를 들어 조사 광선 빔이 발열하고 액체 샘플에서 복사 운동을 야기할 때 발생하게 된다. 컴퓨터 장치(130)는 315a에서 얻어진 추적 결과로부터 병진 드리프트 운동을 계산하고 제거하게 된다. 이를 위하여, 컴퓨터 장치(130)는 드리프트 운동의 존재 및 부존재에서 나노 입자의 브라운 운동을 시뮬레이션 비교한다. 한 쌍의 비디오 프레임 간의 드리프트에 기인한 주어진 나노 입자에 의한 이동 거리는 프레임에서 기록된 나노 입자의 위치들간의 거리의 분율로서 의미를 가진다. 하기의 과정은 드리프트 보정 인자에 대한 계산을 설명한다.
첫째, 컴퓨터 장치(130)는 입자가 탐지되는 2개의 인접한 프레임으로부터의 위치 데이터를 이용하여 이어지는 프레임의 각 쌍 간의 x, y 위치의 차이를 계산한다. 이러한 계산은 시작 부분으로부터 추적의 끝부분까지 행해지며, 입자가 탐지되는 프레임에 대하여 고려된다.
예를 들어, 나노 입자는 프레임(1, 3, 4, 7, 8, 10, 11)에서 탐지되고 추적된다. 컴퓨터 장치(130)는 프레임 (1, 3) 사이, 프레임 (3, 4) 사이, 프레임 (4, 7) 사이, 프레임 (7, 8) 사이, 프레임 (8, 10) 사이, 프레임 (10, 11) 사이에서 나노 입자의 x, y 위치에서의 차이를 계산한다. 프레임(1)은 프레임(3)으로부터 2 프레임 떨어져 있으므로, 컴퓨터 장치(130)는 프레임(1, 3) 간의 프레임당 예상된 차이를 얻기 위하여 2개만큼 기록된 차이를 나눈다. 유사하게, 프레임(3)은 프레임(4)로부터 하나의 프레임만큼 떨어져 있으므로, 컴퓨터 장치(130)는 프레임들간의 x, y 위치에서의 차이를 취하여 하나만큼 그 차이를 나눈다. 컴퓨터 장치(130)는 유사한 방식으로 다른 프레임 쌍들간의 차이를 계산한다.
컴퓨터 장치(130)는 이러한 계산된 차이를 더하고 추적 내에서 프레임의 개수보다 1 작은 합으로 이것을 나눈다. 이러한 몫은 프레임당 드리프트 보정의 최종 예상치를 얻기 위하여 예를 들어 0.45 인 보정 인자에 의해 배가된다.
컴퓨터 장치(130)는 추적시의 제 1 프레임과 원하는 프레임간의 프레임의 개수에 의해 프레임당 드리프트 보정을 배가함으로써 임의의 주어진 프레임에 대한 최종 드리프트 보정을 계산한다. 전술한 예를 참고하면, 컴퓨터 장치(130)는 프레임(3)은 추적시에 제 1 프레임(프레임 (1))로부터 2 프레임 떨어져 있으므로 2 만큼 프레임당 드리프트 보정을 배가함으로써 프레임 (3)에 대한 드리프트 보정의 최종값을 계산하게 된다. 유사하게, 컴퓨터 장치(130)는 프레임(4)는 추적시에 제 1 프레임으로부터 3 프레임만큼 떨어져 있으므로 3에 의해 프레임당 드리프트 보정을 배가함으로써 프레임(4)에 대한 드리프트 보정의 최종값을 계산하게 된다. 컴퓨터 장치(130)는 유사한 방식으로 추적시에 남아 있는 프레임에 대한 드리프트 보정의 최종값을 계산하게 된다. 드리프트 보정 인자는 브라운 운동 및 드리프트 운동의 조합에 관련된 나노 입자의 추적에 대한 하나 이상의 몬테 카를로 시뮬레이션에 기초한다. 다른 보정 과정 및 보정 인자도 드리프트 보정 인자를 결정하는데 사용될 수 있다.
컴퓨터 장치(130)는 나노 입자의 기록된 x, y 좌표로부터 최종 드리프트를 차감함으로써 각 프레엠에서 나노 입자의 보정된 x, y 위치를 얻게 된다. 이러한 새로운 보정된 x, y 위치는 나노 입자의 브라운 운동에만 기여한다. 컴퓨터 장치(130)는 315b에서 각각의 나노 입자의 평균 스퀘어 변위(MSD)의 값을 계산하도록 동영상에서 각 추적시에 보정된 x, y 의 위치를 사용한다. 간혹, 동영상 프레임의 순서는 나노 입자의 x, y 위치가 결정되지 않은 몇몇 프레임을 포함한다. 컴퓨터 장치(130)는 MSD 값을 정확하게 계산하도록 이러한 “누락된” 프레임에서의 데이터를 고려한다. 315b에 도시된 심볼 T’R, T’G, T’B 는 각각의 나노 입장에 대한 MSD 값을 계산하는데 사용되는 드리프트 운동의 보정을 따르는 각 스펙트럼 대역에 기록된 나노 입자의 유효한 추적을 가리킨다.
하위 처리 단계(320)에서, 컴퓨터 장치(130)는 315b에서 계산된 MSD 값을 사용하여 각각 추적된 나노 입자에 대한 브라운 확산 계수를 계산한다. 컴퓨터 장치(130)는 공지의 방법을 이용하여 각각의 스펙트럼 대역 및 각각의 프레임에서 각각의 나노 입자에 대한 브라운 계수를 계산한다. 다수의 실시예에서, 컴퓨터 장치(1300는 수용불가능한 수준의 큰 오류로 브라운 확산 계수에 대한 데이터 발생을 회피하기 위하여 일부의 추적을 제거할 수 있다. 320 에서 도시된 심볼 DR, DG, DB 는 각 스펙트럼 대역에서 추적된 나노 입자의 브라운 확산 계수를 가리킨다.
하위 처리 단계(325)에서, 컴퓨터 장치(130)는 중복된 나노 입자를 제거한다. 간혹, 동일한 나노 입자는 하나의 스펙트럼 대역보다는 그 이상의 대역에서 탐지되고 추적될 수 있다. 컴퓨터 장치(130)는 동영상의 각 프레임에서 각 스펙트럼 밴드의 나노 입자의 위치를 비교값에 기초하여 이러한 중복된 것을 특정한다. 동일한 나노 입자에 대하여 중복된 추적은 서로 다른 스펙트럼 대역으로 특정된다면, 컴퓨터 장치(130)는 나노 입자 크기 분산의 계산에 사용되는 확산 계수의 계산에서의 최소한의 불확실성을 수용하도록 나노 입자 추적을 이용하게 된다. 컴퓨터 장치(130)는 잔존하는 중복된 추적 및 관련된 브라운 확산 계수를 무시하게 된다.
하위 처리 단계(330)동안에, 컴퓨터 장치(130)는 하나 이상의 나노 입자의 크기(330a에서)를 계산하고, 액체 샘플에서의 나노 입자의 크기 분산을 계산한다(330b 에서).
전자와 관련하여, 컴퓨터 장치(130)는 325에서 얻어진 브라운 확산 계수를 사용하여 각각 탐지되고 추적된 나노 입자의 유체동역학적 직경을 계산한다. 이러한 계산은 예를 들어 아인슈타인 수식(스톡스-아인슈타인 수식으로 지칭됨)을 사용하여 공지의 방법에 따라 행해진다.
탐지되고 추적된 모든 나노 입자들의 직경을 계산한 후에, 컴퓨터 장치(130)는 330b에서 액체 샘플의 나노 입자의 입자 크기 분산을 결정한다. 상기 입자 크기 분산은 각각의 특정 입자 빈(bin) 내에서의 나노 입자의 농도(예를 들어 각 크기 빈 내에서 샘플의 단위 부피당 나노 입자의 개수)를 나타낸다. 각각의 크기 빈은 다양한 나노 입자 직경에 대응하는 중심을 가진다. 빈의 폭은 1 nm 수준으로 작지만, 다양한 빈 구성이 사용될 수 있다. 컴퓨터 장치(130)는 예를 들어 각각의 크기 빈에 관련된 나노 입자의 농도와 입자 크기 분산을 표시한다.
도 5는 다양한 크기로 된 나노 입자(50, 240nm, 800nm 의 직경을 가진 표준 폴리스티렌 나노구형의 혼합)에 대한 이미지(500)를 도시한다. 이러한 이미지는 물에 부유하는 나노 입자로써 10초의 간격동안 얻어진 청, 녹, 적 스펙트럼 대역에서의 300 비디오 프레임의 중접 상황을 나타낸다. 밝게 보이는 클러스터 도는 스틱은 시간에 따른 개별 나노 입자의 궤적(즉 추적)을 나타낸다. 컴퓨터 장치(130)는 과정(325)를 처리한 후에 도 5를 표시하게 된다.
도 6a 및 도 6b는 다양한 크기로 된 나노 입자 크기 표준의 혼합물로 구성된 2개의 테스트 샘플로써 유효성 실험을 하여 얻어진 입자 크기 분포(PSD)를 나타낸다. PSD 는 1nm 의 단위 크기 간격당 주어진 직경의 입자의 농도를 나타낸다. 주어진 크기 범위에 대한 밀도 함수의 적분은 이러한 범위 내에서의 입자의 농도를 나타내게 된다. 예를 들어, 100nm 의 직경에서의 밀도 함수의 값은 99.5nm 내지 100.5nm이 범위에 있으며 100nm 의 중심을 가지는 1nm의 폭의 크기 빈 내에서 입자의 농도를 나타낸다. 도 6a, 6b의 그래프는 본원에서 설명된 시스템에서 얻어진 PSD와 기준 분포로써 다른 특정되지 않은 시스템을 비교한다.
도 6a, 6b는 본원의 시스템이 기준 데이터 지점을 PSD 가 밀접하게 추적할 때 복잡 분산에 대한 보다 정확한 결과를 제공하는 것을 보여준다. 대비하여, 특정되지 않은 시스템의 PSD 는 기준 데이터 지점과는 상이하다. 도 6a에 도시된 샘플의 경우(즉 N~d-1, 여기서 N 은 나노 입자 농도이며, d는 나노 입자 직경이다), 특정되지 않은 시스템의 PSD는 기준 분포의 훨씬 아래로 된다. 이러한 거동은 검사된 샘플 내에서의 나노 입자의 크기의 전체 범위에 대하여 나노 입자 농도의 과소평가된 값을 나타낸다. 특정되지 않은 시스템의 기준 농도값과의 농도값의 상대적인 차이가 크기 표준의 다양한 직경에서 -81% 내지 -34%로 되고, 평균 차이는 -61%로 된다. 대비하여, 본원에서 설명되는 시스템에 관련된 농도와 기순 농도값의 차이는 현저하게 작다. 이러한 차이는 -42% 내지 +9% 이며, 평균값으로는 -15% 이다.
도 6b에 도시되어진 샘플에 있어서(즉, N~d-3), 특정되지 않은 시스템의 PSD 는 기준 분포보다 훨씬 높다. 이러한 거동은 나노 입자 농도의 과대 평가를 나타낸다. 특정되지 않은 시스템의 농도와 기준 농도와의 상대적인 차이는 _50% 내지 +1,118% 이며, 평균값으로는 +446%의 차이이다. 대비하여, 본원의 시스템에 관련된 농도와 기준 농도간의 차이는 현저하게 작아서 -38% 나지 +119% 이며, 평균 차이는 +41% 이다.
도 6a,6b 에서의 결과는 특정되지 않은 시스템에서의 큰 오류의 존재를 나타내며, 하나의 샘플로부터 다른 샘플에 대하여 측정치가 매우 크게 변화하는 편이를 나타낸다. 예를 들어, 이러한 편이는 N~d-1, 샘플에 대해서는 현저하게 네거티브이며, N~d-3, 샘플에 대해서는 현저하게 포지티브하게 된다.
본원의 청구범위의 범위, 해석 및 응용을 제한하지 않으면서, 본원에서 설명된 예시적인 실시예의 기술적인 효과는 나노 입자의 탐지를 증진하는 것을 포함한다.
본원발명의 주제는 원하는 구조에 따라 구현되는 시스템, 장치 및 방법, 및/또는 제품에 대한 것이다. 예를 들어 본원에서 설명되는 장치 및/또는 방법은 다음 중 하나 이상을 이용하여 구현된다: 프로그램 코드를 실행하는 프로세서, 주문형 반도체(ASIC), 디지털 신호 프로세서(DSP), 구현된 프로세서, 필드 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA), 및/또는 그 조합. 이러한 다양한 실시예는 데이터와 명령을 저장 시스템, 적어도 하나의 입력 장치, 및 적어도 하나의 출력 장치에 전송하고 그로부터 데이터와 명령을 수신하도록 연결되는 일반적이거나 특수한 목적으로 된 하나 이상의 프로그램 가능한 프로세서를 포함하는 프로그램 가능한 시스템 상에서 실행되거나 해석되는 하나 이상의 컴퓨터 프로그램에서의 실시예를 포함한다. 이러한 컴퓨터 프로그램(프로그램, 소프트웨어, 소프트웨어 애플리케이션, 애플리케이션, 콤포넌트, 프로그램 코드, 또는 코드로도 알려져 있음)은 프로그램가능한 프로세서에 대한 기계적인 지시를 포함하며, 고수준의 처리 및/또는 객체 지향 프로그램 언어 및/또는 어셈블리/기계 언어에서 실행될 수 있다. 본원에서 설명되는 바와 같이, 용어 “기계-판독 가능 매체”는 임의의 컴퓨터 프로그램 제품, 컴퓨터 판독 매체, 컴퓨터 판독 저장 매체, 기계적 지시를 수신하는 기계 판독 매체를 포함하는 프로그램 가능한 프로세서로 기계 지시 및/또는 데이터를 제공하는데 사용되는 장치 및/또는 기계(예를 들어, 마그네틱 디스크, 광학 디스크, 메모리, 프로그램 가능한 로직 장치(PLD))를 가리킨다. 유사하게, 본원에서 설명된 시스템은 프로세서 및 프로세서에 연결되는 메모리를 포함한다. 상기 메모리는 상기 프로세서가 본원에서 설명된 작업들 중 하나 이상을 수행하게 하는 하나 이상의 프로그램을 포함한다. 예를 들어, 본원에서 설명된 처리 과정이나 작업의 제어는 컴퓨터 코드를 포함한다.
전술한 설명 및 청구범위에서, “적어도 하나” 또는 “하나 이상”의 용어는 그 뒤에 구성요소 또는 특징부가 뒤따르게 된다. “및/또는”이라는 용어는 2개 이상의 구성요소 또는 특징부의 리스트에서 나타난다. 명시적이거나 암시적으로 다른 설명이 없다면, 이러한 용어는 인용된 다른 요소 또는 특징부들 중 임의의 것과 결합되는 인용된 구성요소 또는 특징부들 중 개별적으로 또는 임의적인 구성요소 또는 특징을 의미한다. 예를 들어, “A와 B 중 적어도 하나”,”A 와 B 증 하나 이상”,“A 및/또는 B”각각은 “A 단독, B 단독, A와 B 함께”의 의미이다. 유사한 해석은 3개 이상의 아이템을 포함하는 리스트에서도 사용될 수 있다. 예를 들어, “A, B 및 C 중 적어도 하나”, “A, B, 및 C 중 하나 이상”, “A, B, 및/또는 C”는 “A 단독, B 단독, C 단독, A와 B 함께, A와 C 함께, B와 C 함께, 또는 A와 B와 C 가 모두 함께”의 의미이다. 추가하여, 상세한 설명과 청구범위에서 사용된“기초한다”는 의미는 인용되지 않은 특징부 또는 구성요소도 가능하다는 것과 같은 “~에 적어도 부분적으로 기초한다”의 의미이다.
비록 다양한 변형예가 앞서 설명되었지만, 추가적인 변형예 또는 수정예도 가능하다. 특히, 추가적인 특징부 및/또는 변형예가 본원에서 설명된 것들에 추가하여 제공될 수 있다. 또한, 전술한 실시예들은 본원에서 설명된 다양한 조합 및 하위 조합 및/또는 전술한 추가적인 몇가지 구성들의 조합 및 그 하위 조합에 대한 것이다. 또한, 첨부한 도면 및/또는 전술한 바의 논리 흐름은 바람직한 결과를 달성하기 위한 특정 순서를 필요로 하지 않는다. 다른 실시예 역시 이어지는 청구범위의 범위 내에 포함된다. 또한, 전술한 특정 값들은 단순히 예시적인 것이며, 다양한 실시예에서 가변적일 수 있다.
비록 본 발명의 다양한 특징이 청구범위에 기재되었지만, 본 발명의 다른 특징은 청구범위에 명시적으로 기재된 것들의 조합만이 아니라 청구범위의 특징의 실시예로부터의 다른 조합을 포함한다.
100: 시스템
105: 광원
113: 거울
117: 슬릿
123: 객체
105: 광원
113: 거울
117: 슬릿
123: 객체
Claims (30)
- 다양한 서로 다른 스펙트럼 파장 대역에서 다수의 광선 빔을 생성하도록 된 다수의 광원;
다수의 상기 광선 빔을, 액체 샘플의 하나 이상의 나노 입자를 각각 조사하는 하나 이상의 입사 광 시트로 컴바인(combine)하는 광학 조립체; 및
다수의 상기 광선 빔의 서로 다른 스펙트럼 파장 대역에 대응하는 다수의 파장 길이를 이용하여 하나 이상의 나노 입자에 의해 산란된 광을 탐지하도록 된 하나 이상의 이미지 디텍터;를 포함하는 시스템. - 제 1 항에 있어서,
하나 이상의 동영상에서 하나 이상의 이미지 디텍터로부터 얻어진 순차적 이미지를 기록하도록 된 기록 장치를 추가로 포함하는 시스템. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 순차적인 이미지로부터, 하나 이상의 나노 입자에 의해 하나 이상의 입사광 시트의 산란을 표시하는 적어도 2개의 이미지에 기초하여 하나 이상의 나노 입자의 움직임을 탐지하고 추적하는 단계; 및
하나 이상의 동영상으로부터, 하나 이상의 나노 입자에 대한 하나 이상의 농도값을 포함하는 하나 이상의 나노 입자의 입자 크기 분포를 결정하는 단계;를 적어도 수행하도록 된 하나 이상의 프로세서를 추가로 포함하는 시스템. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 탐지하고 추적하는 단계는,
하나 이상의 스펙트럼 이미지를 생성하도록 하나 이상의 개별적인 스펙트럼 성분으로 하나 이상의 동영상을 나누고(splitting) 각각의 스펙트럼 이미지를 배경으로 채우는(backfilling) 단계;
하나 이상의 동영상으로부터, 강도 쓰레스홀드 또는 크기 쓰레스홀드를 포함하는 하나 이상의 기준에 기초하여 하나 이상의 흠결 특징을 제거하는 단계;
하나 이상의 동영상의 미리 선택된 하나 이상의 시작 프레임에 존재하는 하나 이상의 나노 입자의 부분 집합만을 추적하는 단계;
하나 이상의 나노 입자의 드리프트 운동을 제거하는 단계; 또는
하나 이상의 동영상의 하나 이상의 스펙트럼 성분으로부터 중복되는 나노 입자 추적을 제거하는 단계; 중 적어도 하나 이상의 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
하나 이상의 나노 입자는 움직이는 것을 특징으로 하는 시스템. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
하나 이상의 나노 입자는 움직이지 않는 것을 특징으로 하는 시스템. - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
각각의 광선 빔은 개별적으로 조절가능한 전력 수준에서의 출력인 것을 특징으로 하는 시스템. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광학 조립체는 하나 이상의 거울, 빔 컴바이너(beam combiner), 슬릿, 원통형 렌즈, 또는 원거리 작동 객체 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템. - 제 1 항 내지 제 8 항에 있어서,
다수의 광선 빔은 기사광 스펙트럼의 일부인 것을 특징으로 하는 시스템. - 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
다수의 광선 빔은 청색 스펙트럼 파장 대역, 녹색 스펙트럼 파장 대역, 및 적색 스펙트럼 파장 대역을 가지는 광선 빔을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템. - 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
하나 이상의 이미지 디텍터는 다수의 광선 빔의 다양한 서로 다른 스펙트럼 파장 대역을 개별적으로 탐지하도록 된 베이어 패턴 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템. - 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
하나 이상의 이미지 디텍터는 개별 컬러 픽셀을 가지는 하나 이상의 베이어 패턴 이미지를 생성하도록 된 베이어 패턴 필터(Bayer pattern filter)를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템. - 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광학 조립체는 다수의 광원 및 액체 샘플 사이에 배치된 편광기를 추가로 포함하되, 상기 편광기는 하나 이상의 입사광 시트로부터 상기 액체 샘플로 전달된 열 에너지에 관한 액체 샘플의 조사를 최적화하도록 산란 평면에 대하여 다수의 광선 빔을 수직 방향으로 편광하도록 된 것을 특징으로 하는 시스템. - 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
하나 이상의 이미지 디텍터는 하나 이상의 나노 입자에 의해 동시에 산란된 다수의 광을 다수의 파장 길이에서 탐지하도록 된 것을 특징으로 하는 시스템. - 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
하나 이상의 이미지 디텍터는 하나 이상의 나노 입자에 의해 발광된 형광 및/또는 다른 방사에 의해 생성된 광을 적어도 탐지하도록 된 것을 특징으로 하는 시스템. - 다양한 서로 다른 스펙트럼 파장에서 다수의 광선 빔을 생성하는 단계;
액체 샘플의 하나 이상의 나노 입자를 각각 조사하는 하나 이상의 입사광 시트로 다수의 광선 빔을 컴바인하는 단계; 및
다수의 광선 빔의 서로 다른 스펙트럼 파장 대역에 대응하는 다수의 파장 길이를 이용하여 하나 이상의 나노 입자에 의해 산란된 광을 탐지하는 단계;를 포함하는 방법. - 제 16 항에 있어서,
상기 생성하는 단계는 다수의 광원에 의해 수행되며,
상기 컴바인 하는 단계는 거울, 빔 컴바이너, 슬릿, 원통형 렌즈, 또는 원거리 작동 객체 중 하나 이상을 포함하는 광학 조립체에 의해 수행되며,
상기 탐지하는 단계는 하나 이상의 이미지 디텍터에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 방법. - 제 16 항 또는 제 17 항에 있어서,
하나 이상의 동영상을 탐지하여 얻어진 순차적인 이미지를 기록하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법. - 제 16 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 순차적인 이미지로부터, 하나 이상의 나노 입자에 의해 하나 이상의 입사광 시트의 산란을 표시하는 적어도 2개 이미지에 기초하여 하나 이상의 나노 입자의 움직임을 탐지하고 추적하는 단계; 및
하나 이상의 동영상으로부터, 하나 이상의 나노 입자 직경에 대한 하나 이상의 농도 값을 포함하는 하나 이상의 나노 입자의 입자 크기 분포를 결정하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법. - 제 16 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 탐지하고 추적하는 단계는,
하나 이상의 스펙트럼 이미지를 생성하도록 하나 이상의 개별적인 스펙트럼 성분으로 하나 이상의 동영상을 나누고(splitting) 각각의 스펙트럼 이미지를 배경으로 채우는(backfilling) 단계;
하나 이상의 동영상으로부터, 강도 쓰레스홀드 또는 크기 쓰레스홀드를 포함하는 하나 이상의 기준에 기초하여 하나 이상의 흠결 특징을 제거하는 단계;
하나 이상의 동영상의 미리 선택된 하나 이상의 시작 프레임에 존재하는 하나 이상의 나노 입자의 부분 집합만을 추적하는 단계;
하나 이상의 나노 입자의 드리프트 운동을 제거하는 단계; 또는
하나 이상의 동영상의 하나 이상의 스펙트럼 성분으로부터 중복되는 나노 입자 추적을 제거하는 단계; 중 적어도 하나의 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법. - 제 16 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
하나 이상의 나노 입자는 움직이는 것을 특징으로 하는 방법. - 제 16 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
하나 이상의 나노 입자는 움직이지 않는 것을 특징으로 하는 방법. - 제 16 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,
각각의 광선 빔은 개별적으로 조절가능한 전력 수준에서의 출력인 것을 특징으로 하는 방법. - 제 16 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서,
다수의 광선 빔은 가시광선 스펙트럼의 일부인 것을 특징으로 하는 방법. - 제 16 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에 있어서,
다수의 광선 빔은 청색 스펙트럼 파장 대역, 녹색 스펙트럼 파장 대역, 및 적색 스펙트럼 파장 대역을 가지는 광선 빔을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법. - 제 16 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 탐지하는 단계는, 베이어 패턴 필터를 이용하여 다수의 광선 빔의 서로 다른 스펙트럼 파장 대역을 개별적으로 탐지하는 것을 특징으로 하는 방법. - 제 16 항 내지 제 26 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 탐지하는 단계는, 베이어 패턴 필터를 이용하여, 개별 컬러 픽셀을 가지는 하나 이상의 베이어 패턴 이미지를 생성하는 것을 특징으로 하는 방법. - 제 16 항 내지 제 27 항 중 어느 한 항에 있어서,
하나 이상의 입사광 시트로부터 액체 샘플에 전달된 열 에너지에 관한 액체 샘플의 조사를 최적화하도록 산란 평면에 대한 다수의 광선 빔을 수직하게 편광하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법. - 제 16 항 내지 제 28 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 탐지하는 단계는 하나 이상의 나노 입자에 의해 동시에 산란된 광을 다수의 파장 길이에서 탐지하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법. - 제 16 항 내지 제 29 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 탐지하는 단계는 하나 이상의 나노 입자에 의해 발광된 형광 및/또는 다른 방사에 의해 생성된 광을 적어도 탐지하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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