KR20190104298A - 모유 분석 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 모유 분석 장치에 관한 것으로, 특히 모유 샘플을 적외선 분광기를 이용하여 비파괴적으로 신속하게 분석할 수 있게 하기 위하여 반사 모듈(광대역 텅스텐 필라멘트 램프 및 수집 렌즈 포함)측에 암실효과를 가지는 시료 용기를 장착하여 적외선 분광기로부터 조사되는 빛은 모유를 투과하여 반사되도록 하고 다른 외부로부터의 빛은 차단하여 모유 분석 정밀도를 높일 수 있는 모유 분석 장치에 관한 것이다.

Description

모유 분석 장치{BREAST MILK ANALYZER}

본 발명은 모유 분석 장치에 관한 것으로, 특히 모유 샘플을 적외선 분광기를 이용하여 비파괴적으로 신속하게 분석할 수 있게 하기 위하여 반사 모듈(광대역 텅스텐 필라멘트 램프 및 수집 렌즈 포함)측에 암실효과를 가지는 시료 용기를 장착하여 적외선 분광기로부터 조사되는 빛은 모유를 투과하여 반사되도록 하고 다른 외부로부터의 빛은 차단하여 모유 분석 정밀도를 높일 수 있는 모유 분석 장치에 관한 것이다.

일반적으로 모유 분석 장치는 우유 분석 장치와 거의 구조가 동일하므로 우유 분석 장치에 대해 살펴보기로 한다. 우유의 품질을 관리함에 있어서 여러 가지 측정 장비를 이용하여 품질 판별에 관련되는 성분을 측정하게 되며, 이때 얻어지는 측정 데이터는 우유의 품질을 구분하는 기준이 된다. 종래 우유의 품질 판별을 위해 사용되는 유단백질과 유당 등의 성분을 측정하기 위한 우유 품질 분석 장치는 통상 400~2500㎚의 파장 대역을 갖는 장비로서 400~2500㎚까지의 파장을 스캐닝(scanning)하는 회절발(grating)로 구성되어 있어 측정 시간이 매우 길고, 조작 방법이 복잡한 문제점이 있다.

그리고 종래 우유 품질 분석 장치는 실험실에 적합하도록 구성되어 있어 실험실용 분석 장치로는 이용 가능하지만, 현장용 분석 장치로서는 기기가 매우 민감하여 이용이 불가능하며, 시료셀이 1㎜로 되어 있어서 시료셀 도입 등 측정방법이 매우 까다로운 문제도 있다. 또한, 도입되는 측정시료의 양이 적어서 우유의 여러 가지 성분을 측정하려면 여러 번으로 나누어 측정해야 하는 번거로움이 있으며, 종래 우유의 품질을 판별하는 장비는 고가의 실험실용 장비로서 이 장비를 설치하기 위한 실험실이 구비되어야 하는 등 현장 보급용으로는 매우 많은 문제점이 있었다.

국내 특허 공개 2009-0077992호에는 현장용 우유 품질 분석 장치 및 방법에 관해 개시되어 있다. 이 우유 품질 분석 장치는 외부에 전원공급부가 별도로 연결 및 설치되고, 측정된 데이터가 출력되는 모니터와 전원의 온/오프(on/off)를 위한 전원 버튼과 런(run)을 위한 작동 버튼이 외측면에 장착되며, 상단에 시료셀이 삽입되는 셀 도입홀이 형성된 본체; 상기 본체 내부에 장착되고, 상기 작동 버튼이 온(on) 되면 작동하는 램프 전원; 상기 본체 내부에 장착되고, 상기 램프 전원에 연결되어 빔을 발생시키는 할로겐램프가 복수로 장착되는 램프 고정 브라켓; 상기 셀 도입홀의 위치에 대응되어 상기 램프 고정 브라켓 내측에 장착되며, 상기 시료셀이 안착고정되는 시료 고정부; 상기 램프 고정 브라켓의 측부에 장착되고, 양측면에 슬릿이 형성되어 일정량의 빔을 통과시키는 필터 브라켓과, 복수의 간섭필터가 장착되어 상기 필터 브라켓 내측에 설치되는 회전판과, 상기 회전판에 연결되는 구동모터를 포함하여 구성되는 단색화 장치; 상기 필터 브라켓의 후면 측에 장착되어 일정량으로 입사된 단색광을 검출하는 검출기; 및 상기 검출기에 연결되고, 이 검출기에서 출력된 전기 신호를 데이터화하여 상기 모니터로 전달하는 연산처리장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.

그러나 이와 같은 종래의 기술은 서로 다른 파장 대역을 갖는 간섭필터들을 이용한 단색화 장치를 적용하고, 1회 우유 시료량을 증량함으로써 우유의 여러 성분을 동시에 측정할 수 있는 효과가 있으나, 우유 시료가 튜브 타입의 시료셀에 담겨 시료고정부에 고정된 형태를 가지므로 외부로부터의 빛이 완전히 차단되지 않으므로 우유를 분석하기 위한 적외선 외에 외부로부터의 빛이 투과되어 분석 정밀도가 저하될 수 있다는 문제점이 있었다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 점에 착안하여 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 적외선 분광기로부터 조사되는 적외선 광은 모유 샘플을 투과하여 반사되도록 하고 다른 외부로부터의 빛은 차단하여 모유 분석 정밀도를 높일 수 있는 모유 분석 장치를 제공하는 데에 있다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 실시형태에 의한 모유 분석 장치는 적외선을 발생하여 모유 샘플에 투과시키고 반사되는 적외선을 수신하여 분석하는 모유 분석 장치로서: 모유 샘플을 수용하고, 발생되는 적외선은 상기 모유 샘플에 투과시켜 반사되도록 하고 다른 외부로부터의 빛은 차단하며 서랍장 형식을 가진 시료 용기를 포함하며, 적외선을 발생하는 상, 하 한 쌍의 광대역 텅스텐 필라멘트 램프와 모유 샘플을 투과하여 반사된 적외선을 수집하는 수집 렌즈가 장착되어 있는 반사모듈; 상기 수집 렌즈에 의해 수집된 적외선의 통과량을 조절하여 초점을 맞추는 입력 슬릿; 상기 입력 슬릿을 통과한 빛을 시준시키는 콜리메이트 렌즈; 상기 콜리메이트 렌즈를 통해 시준된 빛을 복수의 파장으로 분산시키는 회절격자 및 포커싱 렌즈; 상기 회절격자 및 포커싱 렌즈에 의해 분산된 복수의 파장의 빛 중 설정된 파장의 빛을 선택하여 수평으로 퍼지게 하는 파장 선택기; 상기 파장 선택기를 통과한 빛을 수집하는 수집 광학기; 상기 수집 광학기에 의해 수집된 빛의 단일 광자를 검출하는 단일 광자 검출기; 및 상기 단일 광자 검출기에 의해 검출된 단일 광자를 디지털 신호로 변환시키는 A/D 컨버터;를 포함하며, 상기 시료 용기는 상기 반사모듈 측에 상부가 끼워지며, 수직으로 개방되어 있으며, 표면에 빛을 차단하는 광차단막이 도포되어 있고, 경사져 있는 연결부; 상기 연결부의 하부가 상면에 결합되며, 상방에서 조사되는 적외선을 투과시키도록 상면에는 사파이어 샘플창이 형성되어 있고, 좌측과 내부가 개방되어 있으며, 상기 사파이어 샘플창을 제외한 표면에 광차단막이 도포되어 있는 본체; 및 상기 본체의 개방된 좌측을 통해 삽입 분리되며, 삽입시 상기 사파이어 샘플창과 직교하는 위치에 모유 샘플을 수용하는 모유 수용홈이 형성되어 있으며, 빛을 반사시키는 광반사막이 표면에 도포되어 있으며, 1회용으로 제작하기에 용이하도록 플라스틱을 재질로 하는 직육면체 형상의 샘플 수납부;를 포함하며, 상기 샘플 수납부는 백색을 띠고 있으므로 외로부터의 빛은 흡수하지 않고, 단지 상기 사파이어 샘플창을 통과하여 모유 샘플을 투과한 빛을 반사시켜 상기 사파이어 샘플창을 통해 상기 수집렌즈로 정확하게 입사되도록 하므로 모유 분석 정밀도를 높일 수 있고, 상기 시료 용기는 상기 연결부의 표면, 및 상기 본체의 사파이어 샘플창을 제외한 표면에는 광차단막이 도포되어 있고, 상기 시료 용기의 본체 상면에 사파이어 샘플창이 형성된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시형태에 의한 모유 분석 장치에 의하면, 모유 샘플을 수용하고, 발생되는 적외선은 상기 모유 샘플에 투과시켜 반사되도록 하고 다른 외부로부터의 빛은 차단하며 서랍장 형식을 가진 시료 용기를 포함하여 이루어짐으로써, 수집렌즈로 정확하게 모유 분석을 위한 적외선만이 입사되도록 하므로 모유 분석 정밀도를 높일 수 있다는 뛰어난 효과가 있다.

또한, 샘플 수납부는 빛을 반사시키는 광반사막이 표면에 도포되어 있으며 이 광반사막은 백색을 띠고 있으므로 외부로부터의 빛은 흡수하지 않고 단지 사파이어 샘플창을 통과하여 모유 샘플을 투과한 빛을 반사시켜 사파이어 샘플창을 통과시켜 모유 분석기의 수집렌즈로 정확하게 입사되도록 하므로 모유 분석 정밀도를 높일 수 있다는 뛰어난 효과가 있다.

더욱이, 샘플 수납부는 플라스틱을 재질로 하므로 1회용으로 제작하기에 용이하므로 모유 샘플의 정확한 분석을 수행할 수 있다는 뛰어난 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 모유 분석 장치의 개략적인 구성도이다.
도 2는 도 1의 시료 용기의 구성도이다.
도 3은 도 2의 샘플 수납부의 사시도이다.

이하, 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 모유 분석 장치의 개략적인 구성도이고, 도 2는 도 1의 시료 용기의 구성도이며, 도 3은 도 2의 샘플 수납부의 사시도이다.

본 발명의 실시예에 의한 모유 분석 장치는, 도 1 내지 3에 도시된 바와 같이, 시료용기(10), 반사모듈(20), 입력 슬릿(25), 콜리메이트 렌즈(30), 회절격자(40), 포커싱 렌즈(50), 파장 선택기(60), 수집 광학기(70), 단일 광자 검출기(80) 및 A/D 컨버터(90)을 포함한다.

시료 용기(10)는 반사모듈(20) 측에 장착되며, 모유 샘플을 수용하여 반사모듈(20)로부터 조사되는 적외선(또는, 설명의 편의상 간단히 빛이라고도 함)은 모유 샘플을 투과하여 반사되도록 하고 다른 외부로부터의 빛은 차단하는 서랍장 형식을 가진다.

좀 더 상세하게 설명하면, 시료 용기(10)는, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 연결부(12), 본체(14) 및 샘플 수납부(16)를 포함한다.

연결부(12)는 반사모듈(20) 측에 상부가 끼워져서 모유 분석 장치에 본체(14)를 연결하는 역할을 한다. 연결부(12)는 상, 하부가 개방되어 있으며(즉, 수직으로 개방되어 있으며), 반사모듈(20) 측과 결합되도록 경사져 있으며, 내부로는 빛이 통과한다. 연결부(12)는 표면에 빛을 차단하는 광차단막이 도포되어 있어 외부로부터 빛이 입사되지 못하게 하며, 단지 반사모듈(20)로부터 조사되거나 모유 시료 샘플을 투과하여 반사되는 적외선만이 내부 공간을 통과하도록 한다.

본체(14)는 연결부(12)의 하부가 상면에 결합되며, 상방에서 조사되는 적외선을 투과시키도록 상면에는 사파이어 샘플창(W)이 형성되어 있고, 샘플 수납부(16)가 삽입 분리 될 수 있도록 좌측을 통해 내부가 개방되어 있으며, 사파이어 샘플창(W)을 제외한 표면에 광차단막이 도포되어 있어 외부로부터 빛이 투과되지 못하게 한다.

샘플 수납부(16)는 본체(14)의 개방된 좌측을 통해 삽입 분리되며, 삽입시 사파이어 샘플창(W)과 직교하는 위치에 모유 샘플을 수용하는 모유 수용홈(16a)이 형성되어 있으며, 빛을 반사시키는 광반사막이 표면에 도포되어 있으며 플라스틱을 재질로 하며 직육면체 형상을 이룬다. 샘플 수납부(16)는 모유 샘플의 정확한 측정을 위해 일회용으로 제작된다. 도면에 묘사된 특정 구현에서는 모유 샘플이 사파이어 샘플창(W) 앞에 배치된다. 스캔하는 동안 모유 샘플은 특정 양의 적외선을 흡수하고 흡수되지 않은 빛을 시스템에 확산 반사시킨다. 각 파장에서 흡수되는 빛의 양은 재료의 분자 구성에 따라 다르며, 그 물질에 특정한 화학적 지문이다

반사모듈(20)은 적외선을 발생하는 두 개의 렌즈 끝 광대역 텅스텐 필라멘트 램프(21, 21')와 모유 샘플을 투과하여 반사된 적외선을 수집하는 수집렌즈(23)를 포함한다. 반사모듈(20)은 거울 반사가 수집되지 않도록 슬릿(25)에 확산 반사광을 모으고 각도에 따라 모유 샘플을 조명하도록 작동한다.

광대역 텅스텐 필라멘트 램프(21, 21')는 유리 전구의 전단이 필라멘트에서 샘플 테스트 영역으로 더 많은 빛을 향하게 하는 렌즈로 형성되기 때문에 렌즈 끝 램프로 지정된다.

수집 렌즈(23)는 파장 선택기(60)에서 슬릿 이미지를 형성한다.

입력 슬릿(25)은 수집 렌즈(23)에 의해 수집된 적외선의 통과량을 조절하여 회절격자(40)에 초점을 맞춘다. 입력 슬릿(25)의 크기는 분광계의 SNR과 파장 분해능의 균형을 맞추기 위해 선택된다. 입력 슬릿(25)은 예컨대, 폭이 25μm이고, 높이가 1.8mm이다.

콜리메이터 렌즈(30)는 입력 슬릿(25)을 통과하는 빛을 시준하고, 885nm 길이의 웨이브 패스 필터를 통과 한 다음 반사형 회절격자(40)에 도달시킨다.

회절격자(40)는 포커싱 렌즈(50)와 결합하여 콜리메이트 렌즈(30)를 통해 시준된 빛을 복수의 파장으로 분산시킨다.

파장 선택기(60)는 회절격자(40) 및 포커싱 렌즈(50)에 의해 분사된 복수의 파장의 빛 중 설정된 파장의 빛을 선택하여 수평으로 퍼지게 한다.

파장 선택기(60)의 한쪽 끝에 900nm 파장을, 다른 쪽 끝에 1700nm의 파장을 띠며 다른 모든 파장은 순차적으로 분산된다. 파장 선택기(60)의 특정 DMD 열이 켜짐으로 선택되거나 + 17°위치로 기울어질 때, 선택된 열에 의해 빛이 반사 되어 수집 광학기(70)를 향한다.

수집 광학기(70)는 파장 선택기(60)를 통과한 빛을 수집하는 역할을 한다.

단일 광자 검출기(80)는 수집 광학기(70)에 의해 수집된 빛의 단일 광자를 검출하는 역할을 한다.

A/D 컨버터(90)는 단일 광자 검출기(80)에서 출력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 역할을 한다.

한편, 상기 파장 선택기(60)는 꺼짐으로 선택되거나 -17°위치로 기울어 진 다른 모든 DMD 열이 선택된 파장 측정을 방해하지 않도록 선택되지 않은 파장을 광 엔진의 하단과 검출기 광 경로에서 멀리 이동시킨다. 슬릿(25)의 위치, 회절격자(40)의 각도 및 파장 선택기(60)의 위치에서 기계적 공차를 허용하기 위해 파장 선택기(60)의 DLP NIRscan Nano 슬릿 이미지는 분산축에서 양 끝마다 10% 미만으로 채워지고, 직교축에 과도하게 채워진다. 그 결과 파장 선택기(60)에서 약 (1700 - 900nm) / (854 * 0.8 픽셀) = 픽셀 당 1.17nm가 된다. 이때 파장 선택기(60)에서 파장과 열 위치 간에 교정이 수행된다. 파장 선택기(60)의 열의 개수는 일반적으로 원하는 파장 그룹의 수에 따라 균등하게 나눌 수 없으므로 DLP NIRscan Nano는 스캔 중에 열 폭을 일정하게 유지하지만 열 폭과 다른 양만큼 DMD 어레이를 단계별로 진행한다.

이 단계의 양은 원하는 너비 및 패턴 수(파장 포인트)에 따라 달라진다. 구현 세부 사항은 DLP 분광계 설계 고려 사항을 참조하면 된다. DLP NIRscan Nano의 보고 된 파장은 열 너비 중심의 양자화 된 DMD 픽셀에 해당한다. 교정 매개 변수는 각 DLP NIRscan Nano에서 고유하므로 보고 된 단위 간 파장은 다르다. 보고 된 파장이 다른 DLP NIRscan Nano와 데이터를 비교하려면 서로 다른 데이터 세트를 비교하기 전에 공통된 파장 위치 벡터에 삽입하면 된다. 일반적으로 보간은 들어오는 파장 벡터를 오버 샘플링하여 스플라인 보간 알고리즘으로 수행된다. Svitsky-Golay와 같은 평활화 알고리즘은 일반적으로 보간 후에 적용된다. 일단 모든 데이터 세트가 공통 파장 벡터로 보간되면 여러 유닛 간의 비교가 수월하다.

이하, 상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 의한 모유 분석 장치의 작용에 대해 설명하기로 한다.

먼저, 시료 용기(10)를 반사모듈(20) 측에 장착하고, 샘플 수납부(16)의 모유 수용홈(16a)에 모유 샘플을 주입한 후, 이 샘플 수납부(16)를 본체(14)에 삽입한다.

이어서, 반사모듈(20) 측에서 적외선을 조사하면 사파이어 샘플창(W)을 통과하여 모유 샘플을 투과하게 되고, 이 투과된 적외선은 사파이어 샘플창(W) 방향으로 반사되어 반사모듈(20) 측으로 입사되어서 모유에 대한 분석이 이루어지게 된다.

본 발명의 실시예에 의한 모유 분석 장치에 의하면, 모유 샘플을 수용하고, 발생되는 적외선은 상기 모유 샘플에 투과시켜 반사되도록 하고 다른 외부로부터의 빛은 차단하며 서랍장 형식을 가진 시료 용기를 포함하여 이루어짐으로써, 수집렌즈로 정확하게 모유 분석을 위한 적외선만이 입사되도록 하므로 모유 분석 정밀도를 높일 수 있다.

또한, 샘플 수납부는 빛을 반사시키는 광반사막이 표면에 도포되어 있으며 이 광반사막은 백색을 띠고 있으므로 외부로부터의 빛은 흡수하지 않고 단지 사파이어 샘플창을 통과하여 모유 샘플을 투과한 빛을 반사시켜 사파이어 샘플창을 통과시켜 모유 분석기의 수집렌즈로 정확하게 입사되도록 하므로 모유 분석 정밀도를 높일 수 있다.

더욱이, 샘플 수납부는 플라스틱을 재질로 하므로 1회용으로 제작하기에 용이하므로 모유 샘플의 정확한 분석을 수행할 수 있다.

도면과 명세서에는 최적의 실시예가 개시되었으며, 특정한 용어들이 사용되었으나 이는 단지 본 발명의 실시형태를 설명하기 위한 목적으로 사용된 것이지 의미를 한정하거나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

10: 샘플 케이스
12: 연결부
14: 본체
16: 샘플 수납부
W: 사파이어 샘플창
20: 반사 모듈
21, 21': 광대역 텅스텐 필라멘트 램프
23: 수집 렌즈
25: 슬릿
30: 콜리메이터 렌즈
40: 회절 격자
50: 포커싱 렌즈
60: 파장 선택기
70: 수집 광학기
80: 단일 광자 검출기
90: A/D 컨버터

Claims (1)

1. 적외선을 발생하여 모유 샘플에 투과시키고 반사되는 적외선을 수신하여 분석하는 모유 분석 장치로서:
   모유 샘플을 수용하고, 발생되는 적외선은 상기 모유 샘플에 투과시켜 반사되도록 하고 다른 외부로부터의 빛은 차단하며 서랍장 형식을 가진 시료 용기(10)를 포함하며,
   적외선을 발생하는 상, 하 한 쌍의 광대역 텅스텐 필라멘트 램프(21, 21')와 모유 샘플을 투과하여 반사된 적외선을 수집하는 수집 렌즈(23)가 장착되어 있는 반사모듈(20);
   상기 수집 렌즈에 의해 수집된 적외선의 통과량을 조절하여 초점을 맞추는 입력 슬릿(25);
   상기 입력 슬릿을 통과한 빛을 시준시키는 콜리메이트 렌즈(30);
   상기 콜리메이트 렌즈를 통해 시준된 빛을 복수의 파장으로 분산시키는 회절격자(40) 및 포커싱 렌즈(50);
   상기 회절격자 및 포커싱 렌즈에 의해 분산된 복수의 파장의 빛 중 설정된 파장의 빛을 선택하여 수평으로 퍼지게 하는 파장 선택기(60);
   상기 파장 선택기를 통과한 빛을 수집하는 수집 광학기(70);
   상기 수집 광학기에 의해 수집된 빛의 단일 광자를 검출하는 단일 광자 검출기(80); 및
   상기 단일 광자 검출기에 의해 검출된 단일 광자를 디지털 신호로 변환시키는 A/D 컨버터(90);을 포함하며,
   상기 시료 용기는
   상기 반사모듈 측에 상부가 끼워지며, 수직으로 개방되어 있으며, 표면에 빛을 차단하는 광차단막이 도포되어 있고, 경사져 있는 연결부(12);
   상기 연결부의 하부가 상면에 결합되며, 상방에서 조사되는 적외선을 투과시키도록 상면에는 사파이어 샘플창(W)이 형성되어 있고, 좌측과 내부가 개방되어 있으며, 상기 사파이어 샘플창을 제외한 표면에 광차단막이 도포되어 있는 본체(14); 및
   상기 본체의 개방된 좌측을 통해 삽입 분리되며, 삽입시 상기 사파이어 샘플창과 직교하는 위치에 모유 샘플을 수용하는 모유 수용홈(16a)이 형성되어 있으며, 빛을 반사시키는 광반사막이 표면에 도포되어 있으며, 1회용으로 제작하기에 용이하도록 플라스틱을 재질로 하는 직육면체 형상의 샘플 수납부(16);를 포함하며,
   상기 샘플 수납부(16)는 백색을 띠고 있으므로 외로부터의 빛은 흡수하지 않고, 단지 상기 사파이어 샘플창을 통과하여 모유 샘플을 투과한 빛을 반사시켜 상기 사파이어 샘플창을 통해 상기 수집렌즈로 정확하게 입사되도록 하므로 모유 분석 정밀도를 높일 수 있고,
   상기 시료 용기(10)는 상기 연결부(12)의 표면, 및 상기 본체(14)의 사파이어 샘플창(W)을 제외한 표면에는 광차단막이 도포되어 있고,
   상기 시료 용기(10)의 본체(14) 상면에 사파이어 샘플창(W)이 형성된 모유 분석 장치.

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