KR20180083420A - 전혈 샘플 중 자유 헤모글로빈의 검출을 위한 광학 센서 - Google Patents

전혈 샘플 중 자유 헤모글로빈의 검출을 위한 광학 센서 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전혈 샘플(99) 중 자유 헤모글로빈(96)의 광학 검출을 위한 센서로서, 전면(3) 및 전면(3)과 대향하는 후면(4)을 갖는 반투명 슬래브(2)로서, 전면(3)이 전혈 샘플(99)과 접촉하도록 구성된 반투명 슬래브(2); 반투명 슬래브(2)의 전면(3)에 있는 반사층(5)으로서, 반투명 슬래브(2)로부터 반사층(5)에 도달하는 광을 반사시키도록 구성된 반사층(5); 광원(10) 및 검출기(20)를 포함하는 광학 프로빙 디바이스로서, 광원(10)이 반투명 슬래브에서 적어도 기공을 비추도록 구성되며, 검출기(20)가 광원(10)에 의한 조명(11)에 반응하여 기공(6)에서 방출되는 광(21)을 수용하도록 배열되며, 검출기(20)가 검출된 광을 나타내는 신호를 발생시키도록 구성된 광학 프로빙 디바이스를 포함하는 센서에 관한 것이다. 반투명 슬래브(2)에는 전면(3)에서 반투명 슬래브(2)내로 후면(4)쪽 방향으로 연장하는 데드-엔드 기공(6)이 제공된다. 각 기공(6)은 반사층을 관통하는 반투명 슬래브(2)의 전면(3)에 개개 개구(7)를 갖는다. 기공(6)의 개구(7)의 단면 치수는 자유 헤모글로빈(96)을 기공(6)으로 진입하게 하면서, 적혈구(98)가 기공(6)으로 진입하는 것을 방지하는 치수를 갖는다.

Description

전혈 샘플 중 자유 헤모글로빈의 검출을 위한 광학 센서
본 발명은 일 양태에서, 전혈 샘플 중 자유 헤모글로빈의 광학 검출을 위한 센서에 관한 것이다. 다른 양태에서, 본 발명은 전혈 샘플 중 자유 헤모글로빈의 광학 검출을 위한 센서를 포함하는 혈액을 분석하기 위한 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 다른 양태에 따르면, 전혈 샘플 중 자유 헤모글로빈의 광학 검출에서 사용하기 위한 다공성 미러(porous mirror)가 제공된다. 본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 전혈 중 자유 헤로글로빈을 광학적으로 검출하기 위한 방법이 제공된다. 또한, 전혈을 분석하는 방법은 자유 헤모글로빈을 광학적으로 검출하는 것을 포함한다.
더 넓은 양태에 따르면, 본 발명은 전혈 샘플의 혈장 분획 중 물질의 광학 검출을 위한 센서에 관한 것이다. 다른 양태에서, 본 발명은 전혈 샘플의 혈장 분획 중 물질의 광학 검출을 위한 센서를 포함하는 혈액을 분석하기 위한 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 다른 양태에 따르면, 전혈 샘플의 혈장 분획 중 물질의 광학 검출에서 사용하기 위한 다공성 미러가 제공된다. 본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 전혈의 혈장 분획에서 물질을 광학적으로 검출하기 위한 방법이 제공된다. 또한, 전혈 샘플을 분석하는 방법은 전혈 샘플의 혈장 분획에서 물질을 광학적으로 검출하는 것을 포함한다.
용혈은 전혈, 혈청, 또는 혈장 샘플에서 흔히 마주치는 현상이고, 혈액 분석을 위한 실험실 시험 파라미터를 훼손시킬 수 있다. 용어 "용혈"은 적혈구를 파괴하여 헤모글로빈 및 다른 내부 성분들을 주변의 유체내로 방출시키는 것을 지칭한다. 용혈은 환자의 상태와 관련된 내재적 인자에 의해 유발될 수 있거나, 환자의 상태와 관련되지 않은 외인성 인자에 의해 유발될 수 있다. 생체내 용혈은 자가면역 용혈성 빈혈과 같은 병리학적 질병 또는 수혈 반응에 기인한 것일 수 있다. 시험관내 용혈은 부적절한 시편 샘플 수집, 시편 샘플 처리 또는 시편 샘플 수송에 기인한 것일 수 있다. 특히, 용혈은 예를 들어, 샘플이 다공성 필터 매체로 통과될 때, 여과 공정 동안 일어날 수 있는, 높은 압력 강하 및 높은 전단 또는 연신율에 의해 야기될 수 있다. 용혈에 대한 다른 중요한 인자는 박테리아 오염, 압력, 온도, 삼투 환경, pH 값, 표면과의 접촉, 마찰력, 또는 분리되지 않은 전혈 샘플의 혈액 에이징 및 저장 시간이다. 뚜렷한 용혈은 혈장에서 적색 빛깔로서 육안으로 검출될 수 있다.
용혈은 혈액 파라미터 분석기에서 결정되는 경우에, 다수의 혈액 파라미터의 측정에 영향을 미친다. 이에 따라, 혈액 샘플 중 자유 헤모글로빈 수준의 무시disregarding)는 알지 못하는 사람을 오도할 수 있고, 결과적으로, 영향을 받는 혈액 파라미터 값을 기초로 하여 잘못된 진단을 제공할 수 있다. 그러나, 지금까지 전혈 샘플의 혈장 분획에 존재하는 자유 헤모글로빈의 수준을 신뢰성 있게 결정하는 것은 세포 성분들로부터 혈장 분획을 분리하고 후속하여 분리된 혈장 분획을 분석하는 것을 필요로 하는 복잡한 공정을 수반하였다. 이러한 절차는 시간 소비적이고, 단지 매우 작은 샘플이 소정 시간에, 예를 들어, 유아에서 혈액 파라미터를 지속적으로 모니터링하는 신생아 치료에서 입수 가능한 경우에 금지될 수 있다. 전혈 중 혈장 분획에 존재하는 성분들을 측정하기 위한 다른 방법은 마이크로유체 디바이스에서 전용 측정으로 혈장 분획을 분석하기 전에, 예를 들어, 마이크로유체 디바이스에서 미세여과 기술에 의해 세포 성분들로부터 혈장 분획의 분리를 수반한다. 예를 들어, Archibong 등에 의한 그리고 문헌[Sensing and Bio-Sensing Research 3 (2015), p.1-6]에서 공개된 최신 과학 기사(scientific article)에는 전혈 샘플로부터 분리된 혈장 분획을 광학적으로 분석하기 위한 소형 측정 챔버가 개시되어 있다. 이러한 타입의 디바이스에서, 소형 마이크로유체 챔버는 광섬유의 계면에 부착된다. 마이크로유체 챔버의 하부는 유체 및 화학적 화합물을 디바이스의 내측으로 흐를 수 있게 함과 동시에 요망되지 않는 입자를 여과할 수 있는 다공성 막으로 이루어진다. 여액을 수용하는 마이크로유체 챔버의 내측은 수직-입사 반사 기하학적 구조에서 단일 광섬유를 통해 광학적으로 프로빙될 수 있다.
그러나, 이러한 여과-기반 방법은 전혈 샘플을 분석하기 위해 사용될 때 여러 단점을 갖는다. 여과 디바이스는 본질적으로, 필터의 기공을 통한 샘플 공급물에서 여액 분석/측정 챔버로의 적어도 여액의 유체 흐름에 의존적이다. 통류(through-flow) 기하학적 구조에서, 잔류물(여기서, 적혈구)는 여과 기공을 점진적으로 막는다. 직교류 기하학적 구조에서, 잔류물은 여과막의 표면을 따라 유도되며, 이에 의해 특히, 시스템이 반복 사용을 위해 의도되는 경우에(10 내지 100개를 넘는 샘플), 막힘 문제를 감소시킬 수 있지만, 이러한 문제를 제거할 수 있는 없다. 직교류 기하학적 구조는 또한 잔류물과 여과 디바이스의 표면 사이에 마찰과 전단 상호작용을 유발시킨다. 전혈 샘플을 분석할 때, 이러한 미세-여과 기반 디바이스에서 상응하는 압력 구배, 전단 및 흐름 패턴은 시험관내에서 용혈을 유발시키는 경향이 있으며, 이에 의해, 상이한 물질, 및 특히 자유 헤모글로빈의 측정에 영향을 미친다. 실제로, 일부 경우에, 전혈 샘플의 혈장 분획에서의 성분들의 분석은 이에 의해 완전히 쓸모없게 될 수 있다. 또한, 개시된 디바이스는 연속 및 반복 사용을 위한 것보다 오히려 1회용으로서 가장 유용한데, 왜냐하면, 측정 후 샘플의 완전한 세척이 어려울 수 있거나, 후속 샘플들 간의 교차 오염의 추가 위험에서 적어도 매우 시간 소비적이고 신뢰할 수 없을 수 있기 때문이다. 이러한 특정 타입의 디바이스에서, 광학적 프로빙으로부터의 정량적 결과를 얻기 위한 추가적인 과제는 여액을 프로빙하기 위한 광학 경로의 변화를 야기시키는 여과막의 압력-유도된 변형으로 인하여 발생할 수 있다.
이에 따라, 신속하고 신뢰성 있는 반응으로 전혈 샘플 중 자유 헤모글로빈의 수준을 결정함으로써 용혈의 검출을 위한 개선된 디바이스 및 방법이 요구된다. 더욱 일반적으로, 신속하고 신뢰성 있는 반응으로 전혈 샘플의 혈장 분획 중 물질의 검출을 위한 개선된 디바이스 및 방법이 요구된다.
본 발명의 목적은 전혈 샘플의 혈장 분획 중 물질을 검출하기 위한, 및 특히 전혈 샘플 중 자유 헤모글로빈을 검출하기 위한 공지된 센서, 시스템 및 또는 방법의 단점들 중 적어도 일부를 극복하는 개선된 검출을 제공하는 것이다.
본 발명의 제1 양태는 전혈 샘플 중 자유 헤모글로빈의 광학 검출을 위한 센서로서, 전면 및 전면과 대향하는 후면을 갖는 반투명 슬래브로서, 전면이 전혈 샘플과 접촉되도록 구성되는 반투명 슬래브; 반투명 슬래브의 전면에 있는 반사층으로서, 반투명 슬래브로부터 반사층에 도달하는 광을 반사시키도록 구성된 반사층; 및 반투명 슬래브를 광학적으로 프로빙하도록 구성된 검출기 및 광원으로서, 광원이 적어도 기공을 비추도록 구성되며, 검출기가 광원에 의한 조명에 반응하여 기공에서 방출되는 광을 수용하도록 배열되며, 검출기가 검출된 광을 나타내는 신호를 발생시키도록 구성된 광원 및 검출기를 포함하며, 반투명 슬래브에는 전면에서의 개개 개구에서 반사 미러를 통해 반투명 슬래브내로 연장하는 데드-엔드 기공(dead-end pore)이 제공되며, 기공의 개구의 단면 치수는 자유 헤모글로빈을 기공으로 진입할 수 있게 하면서, 적혈구가 기공으로 진입하는 것을 방지하는 치수를 갖는 센서에 관한 것이다.
용어 "전혈"은 혈장 및 세포 성분으로 이루어진 혈액을 지칭한다. 혈장은 약 50 부피% 내지 60 부피%를 나타내며, 세포 성분은 약 40 부피% 내지 50 부피%를 나타낸다. 세포 성분은 적혈구(erythrocyte, red blood cell), 백혈구(leucocyte, white blood cell), 및 혈소판(thrombocyte, platelet)이다. 바람직하게, 용어 "전혈"은 인간 대상체의 전혈을 지칭하지만, 또한, 동물의 전혈도 지칭할 수 있다. 적혈구는 모든 혈액 세포 총수의 약 90% 내지 99%를 구성한다. 이러한 것은 변형되지 않은 상태에서 약 2 ㎛의 두께를 갖는 약 7 ㎛ 직경의 양면이 오목한 디스크(biconcave disc)로서 형상화된다. 적혈구는 매우 신축적인데, 이는 이의 직경을 약 1.5 ㎛에 이르기까지 감소시켜, 적혈구가 매우 좁은 모세관을 통해 진행할 수 있게 한다. 적혈구의 하나의 핵심 성분은 조직으로 수송하기 위한 산소와 결합하고 이후에 산소를 방출시키고 폐기물로서 폐로 전달될 이산화탄소와 결합하는 헤모글로빈이다. 헤모글로빈은 적혈구의 적색 칼라의 원인이 되고, 이에 따라, 전체 혈액의 적색 칼라의 원인이 된다. 백혈구는 모든 혈액 세포 총수의 약 1% 미만을 차지한다. 이러한 것은 약 6 내지 약 20 ㎛의 직경을 갖는다. 백혈구는 예를 들어, 박테리아 또는 바이러스 침입에 대한 신체의 면역계에 참여한다. 혈소판은 약 2 내지 약 4 ㎛ 길이 및 약 0.9 내지 약 1.3 ㎛의 두께를 갖는 가장 작은 혈액 세포이다. 이러한 것은 응고(clotting)를 위해 중요한 효소 및 다른 물질들을 함유한 세포 분절이다. 특히, 이러한 것은 혈관의 파괴를 시일링하는데 도움을 주는 일시적인 혈소판 플러그(temporary platelet plug)를 형성한다.
용어 "혈액 혈장(blood plasma)" 또는 "혈장"은 혈액 부피의 약 절반(예를 들어, 약 50 부피% 내지 60 부피%)을 차지하는, 혈액 및 림프액의 액체 부분을 지칭한다. 혈장에는 세포가 존재하지 않는다. 이는 모든 응고 인자, 특히, 피브리노겐을 함유하고, 약 90 부피% 내지 95 부피% 물을 포함한다. 혈장 성분은 전해질, 지질 대사 물질, 예를 들어, 감염 또는 종양에 대한 마커, 효소, 기질, 단백질, 및 추가 분자 성분들을 포함한다.
용어 "용혈"은 예를 들어, 화학적, 열적 또는 기계적 영향으로 인해, 적혈구를 파괴하여 헤모글로빈 및 다른 내부 성분들을 주변의 유체내로 방출시키는 것을 지칭한다. 용어 "자유 헤모글로빈"은 전혈 샘플의 혈장 상에서의 헤모글로빈, 즉, 적혈구에 의해 결합되지 않거나 여기에 함유되지 않은 혈액에서의 헤모글로빈을 나타낸다. 전혈 샘플 중 자유 헤모글로빈의 양은 전혈 샘플에서 용혈의 수준을 나타내는 것이다. 본 발명에 따른 센서는 전혈 샘플의 혈장 상에서 자유 헤모글로빈 함량을 선택적으로 측정할 수 있는 기술을 제공한다. 검출기의 출력을 기초로 하여, 전혈 샘플, 및 이로부터 얻어진 혈액 파라미터의 임의의 측정은 이후에, 보정되거나, 플래그화되거나, 폐기될 수 있다.
용어 "반투명한"은 광이 통과할 수 있는 물질의 성질을 지칭한다. 용어 "투명한"은 광이 산란되지 않으면서 물질을 통과할 수 있는 물질의 성질을 지칭한다. 이에 따라, 용어 "투명한"은 용어 "반투명한"에 대한 하위세트로 여겨진다.
센서의 코어는 반투명 슬래브 및 반투명 슬래브의 전면에 적용된 반사층을 포함하는 다공성 미러이다. 반투명 슬래브는 전면으로부터 반사층을 통해 반투명 슬래브내로 연장하는 작은 데드 앤드 기공을 함유한다. 센서는 기공이 함유물을 광학적으로 프로빙하고 전혈 샘플 중 자유 헤모글로빈 함량을 나타내는 상응하는 신호 출력을 발생시키도록 배열된 검출기 및 광원을 사용한다.
작은 기공들 각각은 개구를 통해 반투명 슬래브의 전면에서 샘플 공간과 소통할 수 있는 개구를 갖는다. 이에 따라, 기공은 기공과 샘플 공간 간에 유체 소통을 가능하게 하기 위해 반사층을 관통한다. 기공은 전면에서의 개개 개구에서 후면쪽 방향으로 반투명 슬래브내로 연장한다. 기공은 기공이 반투명 슬래브 내에서 종결하는 것을 의미하는 "데드 앤드(dead end)"이다. 기공은 반투명 슬래브를 통해 후면으로 또는 슬래브 내측의 임의의 일반적인 저장소 또는 수용자에게 모든 방향으로 이어지지 않는다. 기공은 단지 반투명 슬래브의 전면에서 샘플 공간과 유체 소통한다. 일부 구체예에서, 데드 앤드 기공이 십자형으로 교차될 수 있으며 이에 따라 기공들 중 적어도 일부가 서로 연결되어 X-형상, Y-형상, V-형상, 또는 유사한 상호연결된 형상을 형성할 수 있다는 것이 주지된다. 이러한 구성은 동일하게 데드 앤드로 여겨지는데, 왜냐하면, 기공이 단지 전면으로부터 충전되며 기공이 서로 교차하는 경우에도, 기공을 통과하는 중요한 순 물질 수송이 작동 중에 일어나지 않기 때문이다. 전면에서 기공의 개구를 적절하게 치수화함으로써, 전혈 샘플의 혈장 중의 관련된 성분들이 기공으로 진입하게 하면서, 다공성 미러의 전면 상의 전혈 샘플 중 적혈구가 기공으로 진입하는 것을 방지하는 것을 가능하게 하며, 여기서, 관련 성분은 전혈 샘플의 혈장 상에 존재하고 센서를 이용하여 측정/검출되는 물질이다. 특히, 자유 헤모글로빈은 관련된 성분이다.
작동 중에, 반투명 슬래브의 전면은 전혈 샘플과 접촉된다. 반투명 슬래브에서 작은 기공은 전면에서 개구를 통해 전혈 샘플과 소통한다. 기공 개구는 전혈 샘플의 혈장 상의 서브-샘플을 선택적으로 추출하도록 치수화된다. 적혈구는 반투명 슬래브의 전면 상의 개구를 통해 기공으로 진입할 수 없다. 언급된 바와 같이, 기공은 단지 반투명 슬래브의 전면과 소통하는, 데드-엔드이며, 즉, 서브-샘플은 기공 내측에서 광학 프로빙을 위해 추출되고, 측정 후에, 반투명 슬래브의 전면에서 동일한 개구를 통해 다시 배출된다. 서브-샘플 부피는 기공의 전체 내부 부피에 해당한다. 임의의 여액의 여과 및 순 물질 수송은 기공 함유 층을 통해, 즉, 임의의 일반적인 여액 수용자내로 또는 임의의 여액 유출구까지 일어나지 않는다. 광학 검출은 이후에, 기공에 함유된 서브-샘플 상에서만 수행될 것이다. 반사층은 전혈 샘플을 함유한 샘플 공간으로부터 반투명 슬래브에서의 광학 프로빙 영역을 분리한다. 샘플 공간으로부터 프로빙 영역을 광학적으로 분리함으로써, 전혈 샘플의 손상되지 않은 적혈구의 프로빙된 신호에 대한 기여는 효과적으로 억제될 수 있다. 이에 따라, 측정은 전혈 샘플 중 자유 헤모글로빈의 함량에 대해 특이적이다.
관련된 성분들의 대표적인 함유물을 갖는 작은 서브-샘플은 임의의 적합한 방식으로 기공으로 이동될 수 있다. 그러나, 전달 메카니즘에 의해 용혈을 유발시키지 않도록 주의를 기울여야 한다. 작은 데드 앤드 기공은 모세관력 및/또는 확산을 이용하여 전혈 샘플로부터 전면에서의 개구를 통해 광학 프로빙을 위한 서브-샘플의 매우 효율적이고 빠른 추출을 가능하게 한다.
통상적인 작동 모드에서, 반투명 슬래브의 전면 표면은 분석될 전혈 샘플과 전면을 접촉시키기 전에 세정 유체에 의해 접촉된다. 이에 의해, 기공은 전혈 샘플과 혼화 가능한 액체, 및 특히, 혈액 분석기에서 세정, 보정 및/또는 품질 관리 목적을 위해 통상적으로 사용되는 수용액과 같은 혈장 상과 혼화 가능한 액체의 사전충전(prefill)으로 "프라이밍'된다. 예를 들어, 전혈 분석기 시스템에서 세척을 위해 사용되는 통상적인 세정액은 이러한 액체로서 사용될 수 있다. 세정액은 인간 혈장과 상응하는 농도로 K+, Na+, Cl-, Ca2+, 02, pH, C02, 및 (HC03)-를 포함하는 수용액이다. 세정, 보정 및/또는 품질 관리 목적을 위해 통상적으로 사용되는 적합한 용액의 비제한적인 예는 하기에 추가로 제공된다. 전혈 샘플이 이후에 혈장 혼화 가능한 액체로 프라이밍된 전면 표면과 접촉될 때, 전혈 샘플의 혈장 상내로의 성분의 대표적인 서브-샘플은 관련된 성분의 확산을 이용하여 매우 효율적이고 온화한 방식으로 사전충전된 기공내로 추출되고 이동된다. 특히, 기공에서 전혈 샘플과 기준 액체 간의 자유 헤모글로빈의 함량의 임의의 농도 구배는 확산 이동을 유도하고, 이에 의해 기공에서 전혈 샘플에서 자유 헤모글로빈 농도를 대표하는 자유 헤모글로빈 농도를 갖는 서브-샘플을 생성시킨다.
다른 작동 모드에서, 또한, 전혈 샘플과 건식 센서(dry sensor)의 전면이 직접적으로 접촉되는 것이 고려될 수 있다. 더욱 바람직하게, 이러한 작동 모드에서, 기공의 내측 표면은 친수성이고, 이에 의해 반투명 슬래브의 전면에서 전혈 샘플로부터의 서브-샘플을 모세관력을 이용하여 기공내로 추출한다. 이러한 모드에서 센서를 작동시킬 때, 다공성 막 물질의 동일한 배치로부터 생성된 센서가 동일한 감도를 갖는 경향이 있기 때문에 보정은 배치 보정을 통해 일어난다(반투명 슬래브를 형성하는 동일한 배치로부터 다공성 막 물질의 상이한 조각들로부터 생성된 센서를 이용하여 동일한 샘플을 측정할 때 동일한 광 흡수). 대안적으로, 반투명 슬래브의 기공은 헤모글로빈과는 상이한 흡수 특징을 갖는 보정 염료를 함유할 수 있다. 보정 염료는 검출/측정되는 혈장에서의 물질, 예를 들어, 자유 헤모글로빈으로부터 광학적으로 구별 가능하면서, 광학 프로빙 신호를 일반화/보정하기 위해 유용하다. 보정 염료가 실제 유체 중에 존재하지 않을 것이 때문에, 보정 염료는 측정 동안 센서로부터 확산할 것이며, 한편, 자유 헤모글로빈은 센서의 기공내로 확산한다. 샘플을 획득하기 전 및 후에 기공을 광학적으로 프로빙함으로써, 물질(예를 들어, 헤모글로빈)을 검출하기 위한 정량적 수단은 보정 기준 신호 및 샘플 물질 신호의 비교에 의해 개발될 수 있다.
기공의 내용물은 보편적으로, 반투명 슬래브의 후면으로부터, 또는 더욱 일반적으로, 반투명 슬래브 쪽을 향하는 반사층의 측면으로부터 광학적으로 프로빙될 수 있으며, 여기서, 반사층은 반투명 슬래브의 전면과 접촉하는 전혈 샘플로부터 기공을 포함하는 광학 프로빙 영역을 광학적으로 분리시킨다. 반사층은 반투명 슬래브의 내측으로부터 반사층에 도달하는 광을 반사시키도록 구성되며, 이에 의해, 광이 미러의 전면에 도달하고 전혈 샘플과 상호작용하는 것을 방지한다. 이에 따라, 광학 프로빙은 기공 내측의 서브-샘플 상에서만 선택적으로 수행된다.
입사광은 광이 기공을 횡단하고 여기에서 서브-샘플과 상호작용하는 것을 보장하기 위해 광학 프로빙 영역으로 가이딩/유도된다. 바람직하게, 프로빙 광은 광이 프로빙될 유체로 충전된 기공을 횡단하는 것을 보장하고, 이에 의해 최대 광학적 상호작용 경로 길이를 보장하기 위해, 반사층의 면상의 표면 법선에 대해 비스듬한 입사에서 프로빙 영역내로 보내어진다.
조명에 반응하는 기공에서 방출되는 광은 기공에서 서브-샘플과 상호작용하고, 이에 따라, 서브-샘플에 대한 정보를 전달한다. 이후에, 방출된 광(emerging light) 및/또는 방출된 광을 나타내는 신호는 전혈 샘플 중 자유 헤모글로빈 함량을 나타내는 값을 나타내기 위하여 그러한 정보에 대해 분석될 수 있다. 분석은 예를 들어, 보정/기준 샘플에 대해 얻어진 신호와 얻어진 신호를 비교하기 위해, 노이즈 필터링을 위해, 보정을 적용하기 위해, 인공물을 제거하기 위해, 출현/검출된 광, 및/또는 신호/데이타 가공을 광학적으로 분석하는 것을 포함할 수 있다.
특히 유리한 구체예에서, 이는 예를 들어, 광학적으로 분해된 흡광도 측정을 이용함으로써, 또는 액체 서브-샘플에서 자유 헤모글로빈의 존재를 지시하는 광학적 범위 내, 예를 들어, 파장 380 내지 450 nm의 광학적 범위 내에, 예를 들어, 파장 500 nm 내지 600 nm의 광학적 범위, 또는 약 416 nm에서 사전결정된 밴드폭에 걸친 광학적으로 통합된 흡광도를 측정함으로써, 광학적으로 프로빙되는 자유 헤모글로빈에 의해 혈장의 적색 착색이다.
또한, 본 발명에 따른 센서의 일 구체예에 따르면, 기공의 개구의 단면 치수는 약 1 ㎛ 이하, 약 800 nm 이하, 바람직하게 약 500 nm 이하, 또는 심지어 약 400 nm 이하이고/거나, 기공을 따르는 축 방향의 기공의 길이는 100 ㎛ 미만, 50 ㎛ 미만, 바람직하게, 30 ㎛, 또는 약 25 ㎛이다.
약 1 ㎛ 이하, 또는 바람직하게, 서브마이크론 범위, 예를 들어, 약 800 nm 이하, 예를 들어, 약 500 nm 이하, 또는 심지어 약 400 nm 이하의 최대 단면 치수를 갖는 반투명 슬래브의 전면의 면에서 개구를 갖는 기공을 이용함으로써, 적혈구, 백혈구 및 혈소판(platelet)을 포함하는 임의의 세포 성분은 기공에 진입하는 것을 방지된다.
또한, 놀랍게도, 약 500 nm 이하의 단면 치수를 갖는 개구를 갖는 기공은 보다 큰 기공, 예를 들어, 약 800 nm 이상의 단면 치수를 갖는 개구를 갖지만, 동일한 전체 기공 부피/부피 기공률을 갖는 기공과 비교하여, 증가된 감도를 갖는다. 예를 들어, 흡광도 측정을 위한 감도의 증가는 동일한 기공 부피를 갖는 800 nm 기공에 대해 (25 μAb/(mg Hb/dL))과 비교하여 400 nm 기공에 대해 거의 2배(46 μAb/(mg Hb/dL))일 수 있다.
가장 바람직하게, 기공은 허용 가능한 신호 대 노이즈 비율로 여전히 프로빙될 수 있는 충분히 큰 서브-샘플의 효율적인 추출을 가능하게 하기 위해 개개 최소 기공 부피를 갖는 최소 개구를 갖는다. 유리하게, 기공은 약 30 nm 이상, 또는 50 nm 이상, 또는 100 nm 이상, 또는 약 200 nm 이상의 개구를 갖는다.
적합한 기공은 예를 들어, 기공이 한 단부에서 닫혀진 개질과 함께, 회사 IT4IP(IT4IP s.a./avenue Jean-Etienne Lenoir 1/1348 Louvain-la-Neuve/Belgium)로부터 입수 가능한 것과 유사한, 소위 트랙-에칭된 기공을 갖는 투명한 폴리머 막으로부터 생성될 수 있다. 막에서 관통하는 기공(through-going pore)은 예를 들어, 다공성 막의 후면에 후면 시트를 라미네이팅함으로써, 또는 이온-충돌 트랙, 및 이에 따라 이러한 트랙을 따라 에칭된 기공이 데드 앤드 기공을 형성하기 위해 투명한 폴리머 막 내에서 정지하도록 이온을 감소시킴으로써 닫혀질 수 있다. 막은 통상적으로, 반투명 슬래브에 적절한 기계적 강도를 제공하기 위해 딱딱한 투명 구성요소에 의해 후면처리된다.
또한, 본 발명에 따른 다공성 미러의 일 구체예에 따르면, 기공을 포함하는 제공된 부피의 반투명 슬래브의 기공률은 50 부피% 내지 5 부피%, 30 부피% 내지 10 부피%, 또는 약 15 부피%이다.
기공은 기공의 개구가 분포되어 있는 상응하는 전면 표면을 갖는 반투명 슬래브에서(또는 반투명 슬래브의 제공된 영역에서) 기공률을 생성시킨다. 기공률은 기공데 의해 반투명 슬래브에 생성된 보이드(void)의 부피, 즉, 기공 부피의 관점에서 특징화될 수 있으며, 여기서, 기공 부피는 기공에 의해 관통된 반투명 슬래브의 부피로 지칭된다. 여기서, 이러한 부피는 기공이 분포된 전면 구역과, 반투명 슬래브의 전면에 대해 수직인 축 방향으로 알 수 있는 바와 같이 반투명 슬래브내로 기공의 관통의 최대 깊이로 반투명 슬래브내로 이동된 동일한 평행 구역 간의 부피로서 규정된다.
이에 추가하여, 기공률은 통합된 기공 부피의 관점에서 추가로 특징화될 수 있으며, 이는 광학 프로빙을 위해 이용 가능한 서브-샘플 부피와 동일하다. 기공 부피는 보편적으로, 등가 기공 부피 깊이 DELTA로서 표현될 수 있는데, 이는 기공 개구가 분포된 상응하는 전면 면적을 지칭하는 기공 부피이다. 이에 따라, 반투명 슬래브의 기공률은 하기와 같이 등가 기공 부피 깊이 DELTA로 변환될 수 있다. 제공된 전면 면적 A 내의 개구를 갖는 기공은 전체 기공 부피 V를 갖는다. 이후에, 등가 기공 부피 길이는 제공된 전면 면적에 의해 나누어진 전체 기공 부피로서 계산된다: DELTA=V/A.
유리하게, 일부 구체예에 따르면, 등가 기공 부피 깊이 DELTA는 20 ㎛ 미만, 또는 15 ㎛ 미만, 또는 10 ㎛ 미만, 또는 3 ㎛ 내지 5 ㎛ 범위이며, 여기서, 등가 기공 부피 깊이 DELTA는 기공의 개구가 분포된 전면 면적 A에 의해 나누어진 기공의 전체 부피 V로서 정의된다. 이에 의해, 관련된 성분의 대표적인 농도를 갖는 작은 서브-샘플이 얻어진다. 작은 서브-샘플 부피는 빠른 서브-샘플 교환을 증진시키고, 이에 의해 센서의 반응 시간, 및 센서를 이용한 측정의 사이클 시간을 감소시키기 위해 바람직하다. 작은 서브-샘플 부피는 반투명 슬래브의 전면에 가까운 전혈 샘플에서 혈장 분획의 경계층의 소모(depletion)의 효과를 방지하기 위해 더욱 바람직하다. 이러한 소모 효과는 그밖에 작고 여전히 정치하는 샘플에서 일어날 수 있으며, 여기서, 적혈구는, 등가 기공 부피 깊이가 임계값을 초과하는 경우에, 반투명 슬래브의 전면에서 소정 부피의 전혈 샘플에서 경계층 쪽으로 관련된 성분들의 효율적인 확산 교환을 방해할 수 있다.
바람직하게, 등가 기공 부피 깊이 DELTA는 적어도 1 ㎛, 대안적으로, 적어도 2 ㎛, 또는 3 ㎛ 내지 5 ㎛ 범위이며, 여기서, 등가 기공 부피 깊이는 상기와 같이 정의된다. 보다 큰 서브-샘플 부피는, 혈장 중 관련된 성분들에 대한 광학적으로 프로빙된 정보에 기여하는 보다 큰 서브-샘플 부피로 인하여 보다 양호한 신호-대 노이즈 비율을 달성하는데 바람직하다.
또한, 일부 구체예에 따르면, 한편으로 응답 시간 감소, 사이클 시간 감소, 및/또는 작은 여전히 정치된 전혈 샘플 또는 유체에서의 소모 효과의 방지와, 다른 한편으로 필요하거나 요망되는 신호-대-노이즈 비율이 1 ㎛ 내지 20 ㎛의 범위, 바람직하게, 2 ㎛ 내지 10 ㎛의 범위, 또는 약 4 ㎛ 내지 5 ㎛에서의 등가 기공 부피 깊이 DELTA에 대해 확인된다.
유리하게, 일 구체예에 따르면, 반투명 슬래브는 반투명 슬래브의 후면에 부착된 반투명 배면에 의해 지지된다. 이에 의해, 향상된 기계적 안정성이 달성된다.
또한, 본 발명에 따른 센서의 일 구체예에 따르면, 기공의 내측 벽면은 친수성이고, 예를 들어, 친수성 코팅으로 코팅된다. 이에 의해, 액체로의 건조 기공의 효율적인 모세관 유도 충전이 달성된다. 또한, 친수성 코팅은 수용액으로 세척하기 어려운, 특정의 소수성 물질, 예를 들어, 소수성 염료, 헤모글로빈, 및 다른 단백질이, 그밖에 센서의 점진적인 오염을 야기시키는 기공 내측에 증착되는 것을 방지한다.
또한, 본 발명에 따른 센서의 일 구체예에 따르면, 광원은 반투명 슬래브의 후면으로부터 비스듬하게 입사하는 조명 빔을 제공하도록 구성되며, 여기서, 조명 각도는 반투명 슬래브의 전면에 의해 규정된 기준 면의 표면 법선에 대한 입사빔의 각도로서 정의된다. 이에 의해, 광학적 상호작용 길이 증가가 달성되며, 이에 따라, 검출기에 의한 검출을 위해 프로빙 영역을 떠나기 전에 기공의 함유물과 입사광의 상호작용을 향상시킨다. 또한, 프로빙 광의 기공 개구를 통한 전혈 샘플내로의 관통은, 기공 개구의 겉보기 단면 감소뿐만 아니라, 기공 개구를 통한 반사층의 다른 측면 상의 샘플 공간내로보다는 오히려 프로빙 영역내로의 산란 퍼짐 광의 증가로 인해 방지된다.
또한, 본 발명에 따른 센서의 일 구체예에 따르면, 검출기는 반투명 슬래브의 후면으로부터 비스듬하게 방출되는 광을 수집하도록 구성되며, 여기서, 검출 각도는 반투명 슬래브의 전면에 의해 규정된 기준 면의 표면 법선에 대해 검출 쪽으로 방출된 광의 전파 각도로서 정의된다. 검출기는 광학 프로빙 배열의 광원에 의해 조명에 반응하여 방출되는 광을 수집하도록 구성된다. 반투명 슬래브의 후면으로부터 비스듬하게 방출되는 검출 광은 전혈 샘플에서 방출되는 광으로부터 검출된 신호에 대한 기여를 감소시키고, 반사층을 통해 프로빙 영역내로 다시 누출된다.
또한, 본 발명에 따른 센서의 일 구체예에 따르면, 입사면 및 검출면은 적어도 0도, 180도 미만, 바람직하게, 160도 미만, 바람직하게, 130도 미만, 또는 바람직하게 약 90도의 방위각을 둘러싸기 위해 표면 법선에서 교차하며, 여기서, 입사면은 조명 빔 및 기준면에 대한 표면 법선 방향으로 확장되며, 검출면은 검출기 쪽으로 방출된 광 전파 및 기준면에 대한 표면 법선의 방향으로 확장된다. 이에 의해, 프로빙 영역을 통과하기 전에 광학적 계면에서 부분 반사로부터 섬광의 검출된 신호에 대한 기여가 감소된다. 프로빙 영역에서 서브-샘플과 상호작용하지 않는 이러한 광의 섬광은 관련된 정보를 포함하지 않고, 이에 따라, 신호-대-노이즈 비율에 유해하다.
광학 프로빙 광은 임의의 적합한 광학 프로빙 배열에 의해 수행될 수 있다. 이러한 광학 프로빙 배열은 단지, 광의 빔을 반투명 슬래브의 후면으로 유도하고, 광학 검출기의 입력을 조명된 영역으로 유도하는 것을 포함할 수 있다. 광학적 배열은 반투명 슬래브내로 프로빙 광의 커플링을 개선시키고 검출기 입력내로 반투명 슬래브에서 방출되는 광의 커플링을 개선시키는 추가의 광학적 구성요소를 포함할 수 있다. 이러한 광학적 구성요소는 반투명 슬래브의 후면에 직접적으로 부착/접착된 하나 이상의 프리즘 및/또는 렌즈 배열을 포함할 수 있다. 바람직하게, 커플링 광학은 광학 프로빙의 "반사성" 특성을 수용하며, 여기서, 유입하는 프로빙 광 및 검출된 방출된 광은 반사층의 동일한 측면 상에서 유지된다. 또한, 예를 들어, 제1 단부에서 프로빙 광을 반투명 슬래브내로 커플링시키고, 반사성 표면을 따라, 반투명 슬래브의 전면에 평행한 방향으로 본질적으로 전파하기 위해 프로빙 영역에서 광을 가압시키고, 기공을 가로지르고, 제1 단부에 횡단하거나 반대일 수 있는, 반투명 슬래브의 다른 단부로부터 방출된 광을 수집함으로써, 기공과 프로빙 광의 광학적 상호작용을 향상시키는 데 개선이 요구된다.
또한, 본 발명에 따른 센서의 일 구체예에 따르면, 반투명 슬래브에는 반투명 슬래브의 전면에서 개구에 인접한, 이의 마우스 부분에서, 기공 내측에 배열된 추가 반사 구성요소가 제공된다. 추가적인 반사 구성요소는 각 기공의 개구에서 개시하여 기공내로 연장하는 기공의 내측벽 상에 반사 코팅으로서 적용된다. 그러나, 단지 기공의 개구에 가까운 마우스 부분만이 덮혀진다. 기공의 개구 둘레에 추가적인 반사 구성요소를 제공하여, 샘플 챔버로부터 프로빙 광의 광학적 분리를 개선시키고, 이에 의해 샘플 챔버에서 예를 들어, 전혈 샘플 중 적혈구로부터 프로빙된 신호에 대한 잘못된 기여를 방지한다. 반사 코팅은 하기에 논의되는 바와 같이 임의의 적합한 금속 코팅일 수 있다. 추가적인 반사 구성요소는 반투명 슬래브의 전면을 덮는 반사층으로서 동일한 단계에서 생성될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 센서의 일 구체예에 따르면, 추가 반사 구성요소는 단지 개구의 부근에서 기공의 마우스 부분의 원주의 일부만을 덮는 반사 코팅으로서 제공되며, 여기서, 일부는 약 70% 이하, 및 바람직하게, 약 50% 이하이다. 기공의 원주를 단지 일부 덮음으로써, 작은 반사체에는 각 기공에서 기공의 내측쪽으로 향하는 오목하게 형상화된 반사 표면이 제공된다. 부분 커버리지(partial coverage)는 예를 들어, 증착 방향에 대해 기울어진 반투명 슬래브의 전면으로 금속성 층의 방향성 증착(directional deposition)에 의해 생성될 수 있다. 반투명 슬래브의 전면의 면에서의 기공의 개구는 섀도우 마스크(shadow mask)로서 작용한다. 섀도우 마스크는 단지 이의 마우스 영역, 즉, 개구에 가까운 영역에서 기공의 원주 내벽의 일부 상에 증착할 수 있게 한다. 이에 의해, 모두가 동일한 방향으로 지향된, 작은 오목 미러 구성요소의 어레이가 생성될 수 있다.
오목하게 형상화된 측면으로부터 이러한 작은 미러 구성요소를 비출 때, 얻어진 방출된 광은 바람직한 방향으로 유도된다. 이러한 바람직한 방향으로 검출기를 배치시킴으로써, 다른 방향과 비교하여, 그리고, 이러한 추가적인 작은 방향성 미러 구성요소 없는 구체예와 비교하여 개선된 신호-대-노이즈 비율은 달성된다.
작은 미러 구성요소를 갖는, 즉, 방향성 특징을 지닌 추가 반사성 구성요소를 갖는 일부 구체예에 따르면, 방향성 특징이 없는 추가적인 반사 구성요소를 갖는 구체예와 비교하여, 약 3배까지의 방출된 광의 세기 증가가 관찰된다. 이에 추가하여, 놀랍게도, 이의 마우스 부분에서 기공의 내부 표면에 적용된 작은 미러 구성요소를 사용할 때, 예를 들어, 흡광도를 프로빙할 때, 관련 신호의 약 50% 이상의 추가 증가가 일어난다는 것이 관찰되었다. 이에 따라, 이는 적어도 약 4 내지 5배의 S/N 비율의 놀라운 전체 개선을 야기시킨다.
전혈 샘플을 함유한 샘플 챔버로부터 기공을 포함하는 반투명 슬래브에서의 광학 프로빙 영역의 광학적 분리를 보장하기 위하여, 또한 추가 반사 구성요소를 사용할 때, 반투명 슬래브의 전면에서 반사층이 여전이 요구된다는 것이 주지된다. 반투명 슬래브의 전면 상의 반사층은 또한, 예를 들어, 후면으로부터 비추고 검출하는 둘 모두를 위해 필요하다.
통상적으로, 작은 미러 구성요소는 중심 미러면에 대해 대칭이다. 유리하게, 입사광 빔에 의해 결정되는 바와 같은 입사면, 및 검출 방향에 의해 결정되는 바와 같은 검출면은 또한, 중심 미러면에 대해 대칭적으로 배열된다. 하나의 단순화된 구체예에 따르면, 입사면 및 검출면은 일치하고, 작은 미러 구성요소의 중심 미러면에 대해 평행하다.
유리하게, 일 구체예에 따르면, 반사층 및/또는 추가의 반사 구성요소는 금속으로 제조된다. 이러한 금속성 코팅은 비교적 비용 효율적이고, 적절한 반사율로 잘 제어된 방식으로 적용될 수 있다.
유리하게, 일 구체예에 따르면, 반사층은 백금, 팔라듐 또는 주성분으로서 백금 또는 팔라듐을 포함하는 합금으로 제조된다. 이러한 물질은 예를 들어, 흡광도 프로빙에 의해 자유 헤모글로빈의 검출을 위해 관련된 스펙트럼 범위의 전자기 스펙트럼(진한 보라색 내지 청색)에서 양호한 반사율을 나타낸다. 또한, 이러한 물질은 생체적합성이고, 예를 들어, 인공 용혈을 도입하지 못한다. 또한, 이러한 물질은 화학적으로 안정하고 전혈 샘플의 화학적 환경에서 화학적으로 안정하다.
대안적으로, 일부 구체예에 따르면, 반사층은 은 또는 알루미늄으로 제조될 수 있다. 또한, 유리하게, 일부 구체예에 따르면, 유체 부피쪽으로 향하는 반사층의 표면은 추가적인 패시베이션 층에 의해 캡슐화되며, 이에 의해, 특히 반사층을 위한 물질로서 은 또는 알루미늄을 사용할 때, 디바이스의 수명을 향상시킨다. 적합한 패시베이션은 예를 들어, 바람직하게 투명하게 제조되고 기공의 개구를 막지 않기 위하여 충분히 얇아야 하는, SiO2의 얇은 층으로 제조될 수 있다. 이러한 물질은 또한, 관련된 스펙트럼 범위(적색)에서 양호한 반사율을 제공할 수 있고, 환경에서 생체적합하고 화학적으로 안정적이다.
유리하게, 일 구체예에 따르면, 반사층의 두께는 사용되는 금속에 따라 10 nm 내지 100 nm이다. 이러한 층 두께는 반투명 슬래브의 전면에서 기공의 개구의 막힘 없이 증발 기술에 의해 반사층에 적용할 수 있게 한다. 동시에, 층 두께는 프로빙 영역과 전혈 샘플을 함유한 샘플 부피 간의 적절한 광학적 분리를 보장하기 위하여, 샘플 부피로 전파하는 광의 적절한 감쇠를 제공하는데 충분해야 한다. 바람직하게, 전달된 광은 검출 스펙트럼 범위에서, 예를 들어, 380 nm 내지 700 nm, 380 내지 450 nm의 범위, 또는 약 416 nm에서와 같이, 관련된 혈장 성분을 나타내는 신호가 발생되는 스펙트럼 범위에서 5% 미만, 1% 미만, 심지어 0.1% 미만이다.
유리하게, 일 구체예에 따르면, 검출기는 분광광도계를 포함하며, 광학 프로빙 디바이스는 반투명 슬래브에서 프로빙 영역에서 방출되는 광의 분광광도 분석을 위해 구성된다. 이는 프로빙 영역에서 서브-샘플에서 방출되는 광에서 하나 이상의 관련 성분들의 스펙트럼 특징을 분석할 수 있게 한다.
또한, 특히 유리한 구체예에 따르면, 광학 프로빙 디바이스는 흡광도를 측정하도록 구성된다. 이에 의해, 놀랍게도 유의미한 신호가 비교적 단순한 광학적 설정으로 얻어진다. 이는 혈액 분석기 시스템과 같은 더욱 복잡한 분석 설정을 갖는 센서의 용이한 통합을 가능하게 한다.
유사하게, 일부 구체예에 따르면, 센서 또는 센서를 포함하는 혈액 분석 시스템은 전혈 샘플 중 자유 헤모글로빈 수준의 정량적 수단을 개발하기 위해 사전결정된 보정 기준과 검출기에 의해 발생된 신호와 비교하도록 구성된 프로세서를 추가로 포함한다.
또한, 유리하게, 일부 구체예에 따르면, 보정 기준은 타르트라진 염료를 포함하는 수용액과 같은, 염료-기반 보정 용액으로 얻어진다. 바람직하게, 염료-기반 수용액은 타르트라진과 같은, 보정 염료의 첨가와 함께 통상적인 세정 액체로부터 제조된다.
유리하게, 일부 구체예에 따르면, 센서를 포함하는 혈액 분석 시스템은 산소농도 측정 시스템(oximetry measurement system)을 추가로 포함하며, 여기서, 산소농도 측정 시스템의 결과는 전혈 샘플 중 자유 헤모글로빈 수진의 정량적 수단을 개발하는 프로세서에 대한 입력으로서 사용된다. 추가적인 산소농도 측정 시스템은 임의의 상기 구체예에 따른 자유 헤모글로빈 검출기를 포함하는 측정 셀과 병렬로 또는 직렬로 작동하는 추가적인 측정 셀로서 구성될 수 있다. 산소농도 측정은 통상적으로 수용된 전혈 샘플을 용혈시키는 단계를 수행한다. 용혈은 임의의 적합한 방식으로, 예를 들어, 기계적으로 또는 화학적으로 달성될 수 있다. 바람직하게, 용혈은 전혈 샘플에 적용되는 초음파에 의해 기계적으로 달성된다. 달리 탁한 전혈 샘플은 여기서 투명하게 되며, 용혈된 샘플의 흡수 스펙트럼이 측정된다. 흡수 스펙트럼으로부터, 다수의 파라미터가 결정될 수 있으며, 이는 본 발명의 자유 헤모글로빈 검출 센서에 의해 발생된 신호를 해석/분석하기 위한 포핸드 정보(forehand information)로서 유용하다. 이에 따라, 산소농도 측정 시스템의 작동은 산소화 상태, 헤모글로빈-타입, 빌리루빈 수준 및 전혈 샘플에 존재하는 임의의 의료 염료의 존재 및/또는 수준을 결정하는 것을 포함할 수 있다. 이후에, 결정된 조성 및/또는 농도를 포함하는 산소농도 출력은 간겁, 예를 들어, 빌리루빈 간섭 및/또는 의료 염료 간섭을 위한 본 발명의 센서를 이용하여 자유 헤모글로빈의 측정을 보정하는데 사용될 수 있다. 이에 따라, 산소농도 측정 시스템은 검출된 신호의 더욱 선택적인 분석을 가능하게 하여, 감도를 개선시킬 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 전혈 샘플을 분석하기 위한 시스템은 (a) 전혈 샘플을 공급 및 방출시키기 위한 유입구 포트 및 유출구 포트를 갖는 샘플 챔버; (b) 전혈 샘플 중 자유 헤모글로빈의 수준을 나타내는 제1 신호를 제공하도록 구성된 제1 검출기; 및 (c) 각각이 전혈 샘플의 혈액 파라미터를 나타내는 개개 추가 신호를 제공하도록 구성된 하나 이상의 추가 검출기를 포함하며, 제1 검출기 및 추가 검출기는 동일한 전혈 샘플로부터의 제1 신호 및 하나 이상의 추가 신호를 수득하도록 작동 가능하며, 제1 검출기는 본원에 개시된 임의의 구체예에 따른 자유 헤모글로빈의 광학 검출을 위한 센서로서 구성된다.
바람직하게, 전혈 샘플을 분석하기 위한 시스템은 제1 신호를 기초로 한 추가 신호들 중 하나 이상과 관련하여 추가적인 출력을 제공하도록 구성된 프로세서를 포함한다. 유리하게, 추가적인 출력은 자유 헤모글로빈의 검출된 수준에 대한 추가 신호의 보정, 전혈 샘플 중 자유 헤모글로빈의 수준을 나타내는 플래그 및/또는 추가 신호들 중 하나 이상을 폐기하기 위한 명령이다. 이에 따라, 프로세서는 제1 신호로부터 유도된 자유 헤모글로빈 수준을 기초로 하여 하나 이상의 추가 신호들 중 적어도 하나로부터 유도된 측정 결과를 보정, 플래그화 또는 폐기하도록 구성된다. 특히, 추가 신호는 용혈에 의해 영향을 받는 임의의 혈액 파라미터, 예를 들어, K+, Na+, Ca2 +, Mg2 +, 락테이트 데하이드로게나아제, 철, 리파아제, 알파-글루타밀트랜스퍼라아제, 크레아틴 키나아제, 아스파르테이트 아미노트랜스퍼라아제, 또는 알칼리성 포스파타아제의 농도를 나타낼 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태는 전혈 샘플 중 자유 헤모글로빈의 광학 검출에서 사용하기 위한 다공성 미러로서, 전면 및 전면과 대향하는 후면을 갖는 반투명 슬래브로서, 전면이 전혈 샘플과 접촉되도록 구성된 반투명 슬래브; 및 반투명 슬래브의 전면에 적용된 반사층으로서, 반투명 슬래브로부터 반사층에 도달하는 광을 반사시키도록 구성된 반사층을 포함하며, 반투명 슬래브가 반사층을 관통하고 전면에서 후면쪽으로 연장하는 데드-엔드 기공을 가지며; 기공 각각이 반투명 슬래브의전면에 개개 개구를 가지며, 기공의 개구의 단면 치수가 헤모글로빈이 기공으로 진압하게 하면서, 적혈구가 기공으로 진입하는 것을 방지하는 치수를 갖는 다공성 미러에 관한 것이다.
상기에서 이미 논의된 바와 같이, 이러한 설계에 의해, 기공이 단지 다공성 미러의 전면 표면을 전혈 샘플과 접촉시킴으로써 예시적인 양으로 혈장의 관련된 성분을 포함하는 서브-샘플로 전면으로부터 충전될 수 있으며, 이에 따라 추출된 서브-샘플이 편리하게 전혈 샘플과 별도로 광학적으로 프로빙될 수 있다는 것이 달성된다. 관련 성분은 전혈 샘플의 혈장 상에 존재하고 센서를 이용하여 측정/검출되어야 하는 물질일 수 있다. 혈장 상의 대표적인 서브-샘플은 전혈 샘플로부터 추출될 수 있고, 확산 및/또는 모세관력을 이용하여 기공내로 전달될 수 있다. 또한, 상기에서 논의된 바와 같이, 기공은 바람직하게, 혈액 분석기에서 세정, 보정 및/또는 품질 관리 목적을 위하여 일반적으로 사용되는 수용액과 같은, 혈장 상과 혼화 가능한 액체로 사전충전된다. 적합한 용액의 비제한적인 예는 하기에 추가로 제공된다. 기공을 이러한 공지된 액체로 프라이밍하는 것은 확산 단독에 의해 기공내로 혈장 중 관련 성분을 대표하는 서브-샘플을 추출하는 것을 가능하게 한다.
유리하게, 본 발명의 양태에 따르면, 전혈 샘플에서 자유 헤모글로빈을 광학적으로 검출하는 방법은 하기에서 상세하게 제공된다. 본 방법은 적어도, 자유 헤모글로빈을 검출하기 위한 센서, 또는 이러한 센서를 포함하는 시스템의 개개 구체예와 관련하여 상기에서 논의된 것과 동일한 장점을 달성한다.
일부 구체예에 따르면, 전혈 샘플에서 자유 헤모글로빈을 광학적으로 검색하는 방법은 상기에서 논의된 바와 같이 다공성 미러를 제공하는 단계; 기공을 기준 액체로 충전하기 위해 다공성 미러를 기준 액체와 접촉시키는 단계; 다공성 미러의 전면을 전혈 샘플과 접촉시키는 단계; 기공내로의 샘플 챔버로부터 유체 중 성분들의 확산을 안정적이게 하기 위해 확산 시간을 대기하는 단계; 샘플 챔버와 대향하는 반사층의 측면으로부터, 기공 내측의 액체를 광학적으로 프로빙하는 단계; 및 광학 프로빙의 결과를 기초로 하여, 전혈 샘플의 자유 헤모글로빈 수준을 규명하는 단계를 포함한다. 바람직하게, 기준 액체는 전혈 샘플 및 특히 이의 혈장 분획과 혼화 가능한 수용액, 예를 들어, 세정, 보정 및/또는 품질 관리를 위한 액체이다. 일부 구체예에서, 전혈 샘플을 도입하기 전에 미러의 전면을 기준 액체와 접촉시키는 단계를 생략하는 것이 인식될 수 있다. 그러나, 이러한 단계의 포함은 순전히 확산성 서브-샘플 추출을 가능하게 하며, 이는 매우 효율적이고, 놀랍게도 빠른 검출 반응 및 놀랍게도, 측정을 위한 짧은 사이클 시간을 야기시킨다. 가장 유리하게, 자유 헤모글로빈은 추출된 서브-샘플에서 예시적인 양의 자유 헤모글로빈의 존재로 인하여 칼라 변화에 의해 기공에서 광학적으로 검출된다.
유리하게, 일부 구체예에 따르면, 광학 프로빙은 후면으로부터 프로빙 광으로 반투명 슬래브를 비추고, 프로빙 광에 대한 광학적 반응으로서 반투명 슬래브의 후면에서 방출되는 광의 분광학적 분석을 수행하는 것을 포함한다.
유리하게, 일부 구체예에 따르면, 광학 프로빙은 흡광도를 측정한다.
유리하게, 일부 구체예에 따르면, 본 방법은 전혈 샘플 중 자유 헤모글로빈 수준의 정량적 수단을 개발하기 위해 사전결정된 보정 기준과 광학적 반응을 비교하는 단계를 추가로 포함한다.
또한, 유리하게, 본 방법의 일부 구체예에 따르면, 보정 기준은 염료-기반 보정 용액, 예를 들어, 타르트라진 염료를 포함하는 수용액에 대해 얻어진다. 바람직하게, 염료-기반 수용액은 타르트라진과 같은 보정 염료의 첨가와 함께 통상적인 세정 액체로부터 제조된다.
또한, 유리하게, 본 발명의 일 양태는 전혈 샘플을 분석하는 방법으로서, 상기에 개시된 바와 같이 전혈 샘플의 자유 헤모글로빈을 광학적으로 프로빙하고; 동일한 전혈 샘플 상에서, 전혈 샘플 중에 존재하는 추가 성분을 측정하고; 전혈 샘플의 용혈 수준을 기초로 하여 추가 성분의 측정을 보정, 플래그화 또는 폐기하는 것을 포함하는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 바람직한 구체예는 하기에 기술된 첨부된 도면과 함께 보다 상세히 기술된 것이다.
도 1은 작동 조건 하에서, 일 구체예에 따른 센서 디바이스를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 일 구체예에 따른, 추가적인 반사 구성요소를 갖는, 기공의 단면 세부사항을 개략적으로 도시한 것이다.
도 3a/3b는 추가 구체예에 따른, 추가적인 반사 구성요소를 갖는, 기공의 세부사항의 2차원 측면도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 4는 측정 셀의 단면 측면도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 5는 도 4의 측정 셀의 상부 정면도를 도시한 것이다.
도 6a/6b는 추가 구체예에 따른, 투명 배면의 프리즘-유사 외측을 갖는 측정 셀의 2차원 측면도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 7은 도 6a의 측정 셀의 상부 정면도이다.
도 8은 상이한 함량의 자유 헤모글로빈을 갖는 샘플에 대한 흡광도 스펙트럼의 예를 도시한 그래프이다.
도 9는 기준 방법을 이용한 측정과 비교하여 본 발명의 일 구체예에 따른 센서를 이용하여 얻어진 자유 헤모글로빈 측정의 예를 도시한 그래프이다.
도 10은 간섭 물질에 대한 반응의 예를 도시한 그래프이다.
도 11은 보다 긴 기간에 걸쳐 보정 감도의 안정성의 예를 제공한 그래프이다.
도 12는 검출기의 개시 시기에 보정 감도의 동역학을 도시한 그래프이다.
도 13은 분광광도 측정을 위한 보정 및 품질 관리 기준으로서 염료를 사용한 예를 도시한 그래프이다.
도 1은 일 구체예에 따른 센서 디바이스에서 작동되는 다공성 미러(1)의 개략적 단면도를 도시한 것이다. 다공성 미러(1)은 전면(3) 및 후면(4)을 갖는 반투명 슬래브(2)를 포함한다. 전면(3)에는 반사층(5)이 제공된다. 반투명 슬래브(2)는 전면(3)에서 개구(7)로부터 반사층(5)을 통해 반투명 슬래브(2)의 벌크내로 연장하는 데드 앤드 기공(6)을 추가로 포함하며, 여기서, 이러한 것은 종결된다. 도 1의 개략적 도면에서 도시된 바와 같이, 기공은 전면(3)에 대해 수직이거나 서로 평행하지 않아야 한다. 작동 중에, 기공 개구(7)를 갖는 다공성 미러의 전면(3)은 전혈 샘플(99)과 접촉된다. 전혈 샘플은 적혈구(98)를 포함하는 세포 분획, 및 검출될 관련 성분, 여기에서, 자유 헤모글로빈(96)을 갖는 혈장 분획(97)을 갖는다. 기공(6)의 개구(7)의 단면 치수는, 헤모글로빈(96)이 기공(6)으로 진입하게 하면서, 적혈구(98)가 기공(6)으로 진입하는 것을 방지하기 위해 치수화된다.
기공(6)은 전혈 샘플(99)과, 그리고, 특히, 혈장 분획(7)과 혼화 가능한 세정 용액(8)으로 사전-충전될 수 있다. 전혈 샘플(99)이 사전-충전된 기공(6)을 갖는 다공성 미러(1)의 전면(3)과 접촉할 때, 기공(6)내로 자유 헤모글로빈(96)의 확산성 전달이 일어나며, 이에 의해, 전혈 샘플(99)에서 자유 헤모글로빈(6)의 농도를 나타내는 자유 헤모글로빈(6)의 농도를 갖는 기공(6) 내측의 서브-샘플(9)을 규명한다.
기공(6)을 사전-충전하기 위해 사용되는 세정 용액(8)은 전혈 샘플(99)과 혼화 가능한 임의의 수용액일 수 있다. 적합한 세정 용액은 혈액 파라미터 분석기에서 세정, 보정 및/또는 품질 관리 목적을 위해 일반적으로 사용되는 것을 포함한다. 이러한 용액 조성물은 통상적으로, 유기 완충제, 무기 염, 계면활성제, 보존제, 응고방지제, 효소, 착색제, 및 때때로 대사물을 포함한다. 이는 하기 표 1에 제공된 바와 같이 대략적인 농도와 함께 하기 물질을 제공한다.
표 1
Figure pct00001
광학 검출은 광원(10) 및 검출기(20)를 갖는 광학 프로빙을 이용하여 후면으로부터 수행된다. 광원(10)은 유체(99)로부터 대향하는 반사층(5)의 측면으로부터 반투명 슬래브(2)의 다공성 부분에서 프로빙 부피를 비춘다. 프로빙 광(11)은 기공(6)에서 서브-샘플(9)과 상호작용하는 비스듬한 입사 빔이다. 방출된 광(21)은 또한, 비스듬한 각도에서 프로빙 영역을 보도록 배열된 검출기(20)에 의해 검출된다. 검출기(20)는 방출된 광을 나타내는 신호를 발생시키고, 특히, 기공(6)에서 서브-샘플(9)과의 상호작용으로 인하여, 자유 헤모글로빈(96)의 농도에 대한 정보를 함유한다. 발생된 신호의 처리는 전혈 샘플에서 자유 헤모글로빈의 수준을 개발할 수 있다. 보정을 이용하여, 전혈 샘플 중 자유 헤모글로빈의 수준은 정량적일 수 있다. 하기 실시예에서 모든 측정을 위해 사용되는 광학 프로빙 기술은 전자기 스펙트럼의 가시광 범위에서, 예를 들어, 약 380 nm 내지 700 nm, 약 380 nm 내지 450 nm의 범위, 또는 약 416 nm에서의 파장으로 광학적으로 분석된 흡광도 측정을 이용한다.
측정 사이클은 기공(6)을 사전-충전하기 위해 사용되는 세정 용액(8)과 같은, 세정 용액으로 유체를 세척함으로써 끝난다. 이에 의해, 센서 디바이스는 다시 개시되고, 다음 전혈 샘플을 수용할 준비를 한다. 일 예로서, 표 2는 완전 용혈된 전혈의 5%, 즉, 약 1000 mg/dL을 포함하는 시험 샘플에 노출 후 매우 빠른 회복의 징후를 제공한다.
표 2
Figure pct00002
표 2로부터, 두 개의 센서(하기 실시예에서 또한 지칭되는 바와 같이 센서 1 및 센서 2)를 포함하는 측정 셀이 1000 mg/mL의 특히 고농도의 자유 헤모글로빈을 갖는 샘플을 측정한 후에 완전히 회복하고 세정 개시 후 1분 내로, 또는 심지어 더 빠르게 다음 샘플을 수용할 준비를 한다는 것을 알 수 있다.
도 2는 추가 구체예에 따른 다공성 미러의 세부사항을 도시한 것이다. 반투명 슬래브(2)에서 단일 기공(6)은 개략적으로 도시한 것이다. 기공(6)은 기공(6)의 개구(7)에서 마우스 부분내로 반사성 물질의 증착에 의해 생성된 반사 칼라(51) 형태의 추가적인 반사 구성요소를 포함한다.
도 3a 및 도 3b는 또 다른 구체예에 따른 다공성 미러의 세부사항의 두 개의 단면도를 도시한 것이다. 다시, 반투명 슬래브(2)에서 단일 기공(6)은 개략적으로 도시된다. 기공(6)은 기공(6)의 개구(7)에서 마우스 부분내로의 반사 물질의 방향성 증착에 의해 생성된 작은 미러 구성요소(52) 형태의 추가적인 반사 구성요소를 포함하며, 여기서, 미러는 단지, 도 3a 및 도 3b의 두 개의 도면에서 명시된 바와 같이, 개구/마우스 부분의 원주의 부분을 덮는다. 작은 미러 구성요소(52)는 기공의 내측으로부터 볼 수 있는 바와 같이 오목하다. 경사진 다공성 반투명 슬래브(2) 상으로 적합한 반사 물질, 바람직하게, 금속의 방향성 증발로 작은 미러 구성요소를 생성시킴으로써, 모든 미러 구성요소(52)는 동시에 형성되고 동일한 방향으로 지시된다. 이에 의해, 방출된 광(21)의 바람직한 방향은 프로빙 광(11)이 작은 미러 구성요소(52)의 오목한 측면으로부터 입사할 때, 달성된다. 결과적으로, 바람직한 방향에서 방출되는 광으로부터 발생된 신호의 신호-대-노이즈 비율은 상당히 개선된다.
하기에 제공된 모든 실시예는 반투명 슬래브(2)의 전면(3) 상의 30 nm의 두께를 갖는 반사층(5)이 얻어질 때까지, 전면(3) 상의 표면 법선에 대해 25도의 경사각에서 증발 방향과 함께 반투명 폴리머 슬래브(2)의 전면 상으로 Pd의 방향성 스퍼터 증발에 의해 얻어진 바와 같이 추가적인 작은 미러 구성요소를 갖는 센서 구성을 이용하여 측정되었다. 반투명 슬래브(2)는 반투명한, 바람직하게, 투명한, 폴리머 물질로 제조되고, 본질적으로 원형 단면을 갖는 트랙-에칭된 데드 앤드 기공(6)을 갖는다. 기공은 15 부피%의 기공류로 분포된 400 nm의 직경 및 25 ㎛의 깊이를 갖는 개구(7)를 갖는다. 함께, 제공된 전면 표면적 A 위에 분포된 기공은 전체 부피 V를 가지고, 등가 기공 부피 깊이 DELTA = V/A를 갖는다. 하기에 제공된 실시예에서 측정하기 위해 사용되는 상기 특정된 샘플에 대하여, 등가 기공 부피 깊이 DELTA는 약 4 ㎛이다.
도 4 및 도 5는 측정 셀(100) 내측에서 샘플 부피(101)내로 향하는 기공 개구(7)의 전면(3)을 갖는 다공성 미러(1)를 갖는 센서 디바이스를 포함하는 측정 셀(100)을 개략적으로 도시한 것이다. 샘플 부피는 샘플을 공급하고 방출하기 위해 그리고 프라이밍, 세정, 및 세척 단계를 수행하기 위해 유체 입력 및 출력 포트(미도시됨)와 소통한다. 다공성 미러의 후면은 투명한 배면 슬라이드(30)에 의해 기계적으로 안정화되며, 이는 또한, 다공성 미러(1)의 후면(4)으로부터 프로빙 영역으로의 광학적 접근을 위한 윈도우로서 작용한다. 광학 프로빙은 도 1을 참조로 하여 상술된 바와 같이, 광원(10) 및 검출기(20)의 배열을 이용하여 수행되며, 여기서, 프로빙 빔 및 검출 방향은 다공성 미러(1)의 전면(3)의 면 상에 표면 법선에 대한 개개 각도로 경사진다. 또한, 최상으로 도 5에 도시된 바와 같이, 입사 프로빙 광의 면(11) 및 검출의 면(21)은 바람직하게, 눈부심 효과를 방지하기 위해, 180도 미만의 각도로 그리고, 바람직하게, 90도 이하의 지시된 각도에서 서로 교차한다. 하기에 제공된 실시예의 측정에서, 입사 프로빙 광의 면(11) 및 방출된 광의 면(21)은 작은 미러 구성요소(52)의 대칭면에 대해 평행한 방향에 대해 대칭적으로 배열된다.
도 6a, 도 6b 및 도 7은 다공성 미러(1)의 반투명 슬래브(2)의 후면(4)과 직접 접촉된 투명한 배면 슬라이드(31)를 개략적으로 도시한 것이다. 입사 프로빙 광(11)이 60°프리즘(32)으로 반투명 슬래브(2)의 후면(4)에 진입할 때, 공기와 폴리머 간의 굴절률 변화는 입사 프로빙 광(11)에 영향을 미치지 않으며, 광은 광의 각도 변화 없이 반투명 슬래브(2)의 기공(6)(미도시됨)으로 진입하며, 출혈 광(21)은 검출기(20)에 도달한다. 도 6b는 입사 프로빙 광(11)이 방출된 광(21)이 검출기(20)에 도달하기 전에 반사될 수 있다는 것을 도시한 것이다. 또한, 최상으로 도 7에 나타낸 바와 같이, 입사 프로빙 광의 면(11) 및 방출된 광(21)의 면은 바람직하게, 눈부심 효과를 방지하기 위해 180도 미만의 각도, 및 바람직하게 약 90도 이하의 지식된 각도에서 서로 교차하며, 프리즘(32)은 입사 프로빙 광(11)과 방출된 광(21)에 영향을 미치지 않는다.
실시예
하기 도 8 내지 도 13을 참조하면, 시험 실행 측정으로부터의 데이터는 본 발명의 일 구체예에 따른 센서의 성능의 상이한 양태를 예시하는 예로서 제공된다.
센서는 일측 트랙-에칭된, 선형 기공이 제공된 49 ㎛의 전체 두께를 갖는 투명 PETP-막으로부터 생성된 이러한 실시예의 실험을 위해 사용하였다. 기공은 친수성 PVP 처리와 함께, 25 ㎛의 기공 깊이, 및 0.4 ㎛의 기공 직경을 갖는다. 면적 기공 밀도는 1.2 E8/㎠이다. 이에 따라, 기공은 PETP-막의 일측에서 개구로 데드 엔딩되며, 반투명 슬래브로서 작용하는 PETP-막내로 본질적으로 절반 정도로 종결된다. 막(반투명 슬래브)의 다공성 측면은 25도의 각도로 그리고 30 nm의 대략적인 층 두께를 갖도록 팔라듐으로 스퍼터 코팅된다. 이는 막의 다공성 전면(반투명 슬래브) 상에 금속 코팅을 제공하고, 기공의 내측의 일 측 상에 작은 코팅을 제공하며, 이에 따라, 전면쪽으로 이의 개구에 인접한 기공의 마우스 부분에서 작은 오목 미러를 형성한다. 스퍼터링된 다공성 PETP-막은 양면 접착 테이프를 이용하여 커스톰 빌드 큐벳(custom build cuvette)에 라미네이션되고, 이에 따라, 기공 중 작은 미러의 오목 측면이 광원으로부터의 광 가이드와 스펙트럼 유입으로부터의 광 가이드와 분광계 유입으로부터의 광 가이드 사이에 중간에 지시되게 한다. 1방울의 대략 10 ㎕의 실리콘 고무는 막 상으로 피펫팅되고, 이후에, 커버 유리가 센서 막(반투명 슬래브)의 기계적 배면으로서 막의 후면에 고정된다. 센서는 액체의 자동 조작, 시간 간격 및 데이터 샘플링을 위해 시험 벤치에 탑재된다. 데이터 수집은 대략 3초 동안 지속되고, 샘플 획득 후 14초까지 지연된다.
시험 벤치에는 광원으로서 두 개의 발광 다이오드(퍼플 및 '백색' LED) 및 검출기로서 미니-분광계가 장착된다. 미니-분광계에서의 표준 슬릿은 광 및 감도를 증가시키기 위해 125 ㎛ 슬릿으로 대체되었다. 측정이 반사 측정이기 때문에, 광원 및 검출기 둘 모두는 다공성 막의 후면(다공성 측면이 없음) 상에 배치된다. 막의 다공성 금속 코팅된 측명은 측정 챔버의 내측 상에 정위되며, 이에 따라 미러 및 기공은 챔버 중 샘플에 직접적으로 노출된다. 2개의 광 다이오드로부터의 광은 통상적인 섬유 광 가이드를 통해 유도되며, 이는 다공성 미러 막(대략 2 mm × 2 mm)의 작은 스폿으로 광을 평행하게 하기 위해 단부에 렌즈를 갖는다. 데카르트 좌표 시스템을 참조하여, 막의 면(반투명 슬래브의 전면)은 좌표계의 ZX-면으로서 정의될 수 있다. 광은 Y-축, 즉, ZX-면에 대해 표면 법선에 대하여(그리고, 좌표 시스템의 YZ-면에서) 45°각도에서 막 외측 표면(반투명 슬래브의 후면)으로 진입한다. 검출기는 Y-축에 대해 60°의 극각(polar angle)으로 정위되고, 광원의 입사면에 대해(예를 들어, YX-면에서) 90°의 방위각까지 YZ-면에 대해 조정된다. Y-축에 대해 광 입사 및 검출 방향의 비교적 높은 각도는 헤모글로빈에 대한 개선된 검출 감도를 야기시키는데, 왜냐하면, 수집된 광이 기공에서 서브-샘플의 보다 큰 길이를 통해 이동하기 때문이다.
샘플은 용혈된 인간 혈액 및 비-용혈된 인간 혈액을 특정된 혼합 비율로 혼합함으로써 제조된다. 용혈된 혈액은 -80℃에서 30분 동안 냉동시킴으로써 제조된다. 간섭 용액은 혈장을 간섭물(interferent)과 특정된 값까지 혼합함으로써 제조된다. 혈장은 1500 G에서 15분 원심분리에 의해 생성된다. 참조로서, 시험된 모든 전혈 샘플로부터 원심분리 유도 혈장의 흡광도 스펙트럼은 또한, Perkin Elmer Lambda 19 UV-Vis 분광계로 측정된다.
스펙트럼 도 8은 상이한 농도의 자유 헤모글로빈(Hb)을 갖는 4개의 샘플에 대한 스펙트럼으로 분석된 흡광도 데이터를 도시한 것이다. 대략 416 nm의 파장에서, 상이한 샘플에 대한 최대 흡광도가 자유 헤모글로빈 중 이의 함량에 따라 선형적으로 명백하게 비례하는 현저한 피크가 관찰된다. 416 nm의 피크에서 흡광도 트레이스를 위에서 아래로 뽑아내고, 샘플은 200 mg Hb/dL(Cal 1), 100 mg Hb/dL (0.4% 용혈된 전혈), 50 mg Hb/dL(0.18% 용혈된 전혈), 및 약 4 mg Hb/dL(전혈)의 공칭 농도를 갖는다.
다공성 미러를 갖는 광학 센서(센서 1, 센서 2)에 의해 얻어진 바와 같은 자유 헤모글로빈 함량에 대한 값의 선형 스케일링 및 정확한 보정은 참조 방법(도 9)을 이용하여 동일한 샘플을 측정함으로써 검증되었다. 참조 방법은 원심분리에 의해 전혈의 세포 분획으로부터 혈장 분획을 분리하고 단리된 혈장 상에서 분광광도계 측정을 수행함으로써 자유 헤모글로빈의 개개 농도를 결정하는 것을 포함한다. 분광광도법 참조 기술은 또한, PerkinElmer Lambda 19 UV-Vis 분광기를 이용하여 얻어진스펙트럼 흡광도 측정법이다. 센서 1 및 센서 2로 명명된, 두 개의 명목상 동일한 센서 디바이스를 이용하여 얻어진 독립 측정치는 거의 일치하는 것으로 나타났다. 각 센서에 대한 개개 선형 추세선이 그래프에 추가되었다. 이러한 추세선은 본 발명에 따른 센서 1 및 센서 2를 이용하여 얻어진 바와 같은 자유 헤모글로빈 농도 값의 높은 정밀도 및 신뢰성을 강조한다.
도 10은 혈장에 존재할 수 있는 다른 성분들로부터의 간섭에 대한 본 발명에 따른 센서를 이용하여 얻어진 바와 같은 자유 헤모글로빈 측정의 견고성을 예시한다. 또한, 센서 1(채워진 컬럼) 및 센서 2(채워지지 않은 컬럼) 둘 모두로부터의 데이터가 나란이 나타나 있다. 왼쪽에서 오른쪽으로, 간섭을 결정하기 위해 측정된 4개의 상이한 샘플은 0.4% 용혈된 전혈(제1 그룹의 컬럼), 0.4% 용혈된 전혈의 원심분리 유도된 혈장(제2 그룹의 컬럼), 340 μM 빌리루빈이 첨가된 0.4% 용혈된 전혈의 원심분리 유도된 혈장(제3 그룹의 컬럼), 및 4% 인트라리피드가 첨가된 0.4% 용혈된 전혈의 원심분리 유도된 혈장(제4 그룹의 컬럼)이다. 모든 신호는 다공성 미러 센서(센서 1 및 센서 2)를 이용하여 측정하는 경우에 77 내지 93 mg Hb/dL의 자유 헤모글로빈의 함량을 나타낸다. 참조로, 0.4% 용혈된 전혈의 원심분리 유도된 혈장에 대해 측정된 신호는 상술된 참조 방법(미도시됨)을 이용할 때 약 85 mg Hb/dL의 함량을 산출한다. 제1 및 제2 그룹의 컬럼의 비교는 적혈구가 헤모글로빈 신호에 미미하지만 유의미하지 않은 기여를 나타낸다. 제2 및 제3 그룹의 컬럼의 비교는 헤모글로빈 신호로 빌리루빈 신호의 뚜렷하지만, 유의미하지 않은 간섭을 나타낸다. 제2 및 제4 그룹의 컬럼의 비교는 임의의 인트라리피드 신호로 헤모글로빈 신호의 검출 가능하지 않은 간섭을 나타낸다.
도 11은 1개월의 보다 장기간에 걸쳐 명목상 동일한 샘플에 대한 측정을 도시한 것이다. 1 mg Hb/dL 당 흡광도에 의해 결정되는 신호 감도의 유의미한 차이가 관찰되지 않는다. 이에 따라, 다공성 미러를 이용한 센서는 매우 적합하고 재현 가능한 결과를 산출한다.
도 12는 비교적 짧은 기간에 걸쳐 수행하는 것을 제외하고 동일한 타입의 측정으로부터의 결과를 도시한 것이며, 이에 의해, 버진 센서(virgin sensor)의 시동 동력을 예시하는 것이다. 전체 기간에 거려 유의미한 차이가 관찰되지 않는다. 센서 다공성 표면의 제1 습윤화 이후 3분 이내에 이미 적합하고 재현 가능한 신호가 관찰되며, 이에 따라, 유의미한 시동 지연 없이 즉각적인 반응이 나타난다.
도 13은 염료-기반 보정 용액, 및 비교를 위해, 세정 용액에서 얻어진 일련의 스펙트럼으로 분석된 흡광도 데이터의 예를 도시한 것이다. 이러한 스펙트럼은 서로의 직후에 연속적인 사이클에서 얻어졌다. 염료-기반 보정 용액은 1 L 세정 당 0.5 g 타르트라진이 첨가된 세정 용액이다. 측정된 용액의 순서는 하기와 같다: 먼저, 세정 용액, 이후에, 염료-기반 보정 용액, 이후에, 다시 세정 용액, 다시 동일한 염료-기반 용액, 및 세정 용액에서 모두 수행된 3회의 연속적인 측정의 순서. 모든 스펙트럼은 도일한 스케일로 그리고 서로의 상부 상에서 플롯팅된다. 실험은 다시 얻어진 결과의 매우 양호한 안정성 및 재현성을 나타낸다. 더욱 중요한 것으로, 데이터는 서로의 상부 상에서 일치하는 2개의 염료-기반 용액 스펙트럼, 및 서로의 상부 상에서 또한 일치하는 5개의 세정 용액 스펙트럼의 놀랍게 명확한 분리를 도시한 것이다. 광학적 데이터가 모두 프로빙 부피의 다공성 미러 센서에서 프로빙된다는 것이 주지된다. 이는 상기 언급된 타르트라진 염료 세정 용액과 같은, 염료-기반 분광학적 보정 용액을 사용할 때 또한, 기공에서 서브샘플의 추출 및 세척을 위한 매우 효율적이고 완전 확산성 교환을 지시한다.
본 발명의 디바이스 및 방법이 더 넓은 양태에 따라, 자유 헤모글로빈의 검출을 참고로 하여 상세하게 논의되었지만, 본원에서 논의된 디바이스 및 방법은 전혈 샘플의 혈장 분획에서 또는 유체에서 다른 광학적 활성 물질의 검출에 동일하게 적용 가능하며, 여기서, "용어 광학적 활성"은 분광학적 광학 프로빙 기술에 의해 직접적으로 검출될 수 있는 물질을 지칭한다. 이러한 물질은 대사 물질, 약제학적 물질, 약물, 또는 비타민을 포함할 수 있지만, 이로 제한되지 않는다.

Claims (15)

  1. 전혈 샘플(99)의 혈장 분획(97)에서 물질(96)의 광학 검출을 위한 센서로서, 센서가
    - 전면(3) 및 전면(3)과 대향하는 후면(4)을 갖는 반투명 슬래브(2)로서, 전면(3)이 전혈 샘플(99)과 접촉되도록 구성되며, 반투명 슬래브(2)가 기공(6)을 포함하는 반투명 슬래브(2);
    - 반투명 슬래브(2)의 전면(3)에 있는 반사층(5)으로서, 반투명 슬래브(2)로부터 반사층에 도달하는 광을 반사시키도록 구성된 반사층(5); 및
    - 광원(10), 및 반투명 슬래브(2)를 광학적으로 프로빙하도록 구성된 검출기(20)로서, 광원(10)이 반투명 슬래브(2)에서 적어도 기공(6)을 비추도록 구성되며, 검출기(20)가 광원(10)에 의한 조명(11)에 반응하여 기공(6)에서 방출되는 광(21)을 수용하도록 배열되며, 검출기(20)가 검출된 광을 나타내는 신호를 발생시키도록 구성된 광원(10) 및 검출기(20)를 포함하며,
    반투명 슬래브(2)에서의 기공(6)이 전면(3)에서의 개개 개구(7)로부터 반사층(5)을 통해 반투명 슬래브(2)내로 연장하는 데드-엔드 기공(dead-end pore)(6)이며, 기공(6)의 개구(7)의 단면 치수가 전혈 샘플(99)의 혈장 분획(97) 중 물질(96)을 기공(6)으로 진입하게 하면서, 적혈구(98)가 기공으로 진입하는 것을 방지하는 치수를 갖는 센서.
  2. 제1항에 있어서, 센서가 전혈 샘플(99) 중 자유 헤모글로빈(96)의 광학 검출을 위해 구성되며, 기공(6)의 개구(7)의 단면 치수가 자유 헤모글로빈(96)을 기공(6)으로 진입하게 하면서, 적혈구(98)가 기공(6)으로 진입하는 것을 방지하는 치수를 갖는 센서.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 기공(6)의 개구(7)의 단면 치수가 약 1 ㎛ 이하, 약 800 nm 이하, 바람직하게, 약 500 nm 이하, 또는 심지어 약 400 nm 이하이고/거나 기공(6)을 따라 축 방향에서의 기공(6)의 길이가 100 ㎛ 미만, 50 ㎛ 미만, 바람직하게, 30 ㎛ 미만, 또는 약 25 ㎛인 센서.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 기공(6)을 포함하는 반투명 슬래브(2)의 제공된 부피의 기공률이 50 부피% 내지 5 부피%, 30 부피% 내지 10 부피%, 또는 약 15 부피%인 센서.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 등가 기공 부피 깊이(equivalent pore volume depth, DELTA)가 20 ㎛ 미만, 대안적으로, 10 ㎛ 미만, 또는 바람직하게, 약 5 ㎛ 이하이며, 등가 기공 부피 깊이(DELTA)가 기공(6)의 개구(7)가 위에 분포되어 있는 전면 면적(A)에 의해 나누어진 기공의 전체 부피(V)로서 규정되는 센서.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 기공(6)의 내측 벽면이 친수성 코팅으로 코팅된 센서.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 광원(10)이 반투명 슬래브(2)의 후면(4)으로부터 비스듬히 입사하는 조명 빔(11)을 제공하도록 구성되며, 조명 각도가 반투명 슬래브(2)의 전면(3)에 의해 규정된 기준면의 표면 법선에 대한 입사 빔(11)의 각도로서 규정되는 센서.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 검출기(20)가 반투명 슬래브(2)의 후면(4)에서 비스듬하게 방출되는 광(21)을 수집하도록 구성되며, 검출 각도가 반투명 슬래브(2)의 전면(3)에 의해 규정된 기준면의 표면 법선에 대한 검출기(20)쪽으로의 방출된 광(emerging light)(21)의 전파 각도로서 규정되는 센서.
  9. 제8항에 있어서, 입사면 및 검출면이 적어도 0도, 및 180도 미만, 바람직하게, 160도 미만, 바람직하게, 130도 미만, 또는 바람직하게, 약 90도의 방위각을 둘러싸기 위해 표면 법선에서 교차하며, 입사면이 조명 빔(11) 및 기준면에 대한 표면 법선 방향으로 확장되며, 검출면이 검출기(20)쪽으로 방출된 광(21) 전파 및 기준면에 대한 표면 법선 방향으로 확장되는 센서.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 반투명 슬래브에 반투명 슬래브(2)의 전면(3)에서의 개구(7)에 인접한, 이의 마우스 부분(mouth portion)에서, 기공(6) 내측에 배열된 추가 반사 구성요소(51, 52)가 제공된 센서.
  11. 제10항에 있어서, 추가 반사 구성요소(52)가 개구(7)의 부근에서 기공(6)의 마우스 부분의 원주의 단지 일부를 덮는 반사 코팅으로서 제공되며, 이러한 일부가 약 70% 이하, 및 바람직하게, 약 50% 이하인 센서.
  12. 전혈 샘플(99)을 분석하기 위한 시스템으로서,
    - 전혈 샘플(99)을 공급하고 배출시키기 위한 유입구 포트 및 유출구 포트를 구비한 샘플 챔버(100);
    - 전혈 샘플(99)의 혈장 상(97) 중 물질(96)의 수준을 나타내는 제1 신호를 제공하도록 구성된 제1 검출기; 및
    - 하나 이상의 추가 검출기로서, 각 추가 검출기가 전혈 샘플(99)의 혈액 파라미터를 나타내는 개개 추가 신호를 제공하도록 구성된 추가 검출기를 포함하며,
    제1 검출기 및 추가 검출기가 동일한 전혈 샘플(99)로부터 제1 신호 및 하나 이상의 추가 신호를 얻도록 작동 가능하며,
    제1 검출기가 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 전혈 샘플(99)의 혈장 상(97) 중 물질(96)의 광학 검출을 위한 센서로서 구성되는 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 제1 신호를 기초로 하여 추가 신호들 중 하나 이상에 관한 출력(output)을 제공하도록 구성된 프로세서를 추가로 포함하는 시스템.
  14. 제12항에 있어서, 출력이 자유 헤모글로빈의 검출된 수준에 대한 추가 신호의 보정, 전혈 샘플에서의 자유 헤모글로빈의 수준을 나타내는 플래그(flag), 및/또는 추가 신호들 중 하나 이상을 폐기하는 명령(instruction)인 시스템.
  15. 전혈 샘플 중 자유 헤모글로빈의 광학 검출에서 사용하기 위한 다공성 미러(porous mirror)(1)로서,
    - 전면(3) 및 전면(3)과 대향하는 후면(4)을 갖는 반투명 슬래브(2)로서, 전면(3)이 전혈 샘플(99)과 접촉되도록 구성된 반투명 슬래브(2); 및
    - 반투명 슬래브(2)의 전면(3)에 적용된 반사층(5)으로서, 반사층(5)이 반투명 슬래브(2)로부터 반사층(5)에 도달하는 광을 반사하도록 구성된 반사층(5)을 포함하며,
    반투명 슬래브(2)에는 전면에서의 개개 개구(7)에서 반투명 슬래브(2)내로 연장하는 데드-엔드 기공(6)이 제공되며, 기공(6)의 개구(7)의 단면 치수가 자유 헤모글로빈(96)을 기공(6)으로 진입하게 하면서, 적혈구(98)가 기공(6)으로 진입하는 것을 방지하는 치수를 갖는 것을 특징으로 하는 다공성 미러(1).
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