KR20200015744A

KR20200015744A - 섬유와 결합된 광대역 광 소스

Info

Publication number: KR20200015744A
Application number: KR1020207000773A
Authority: KR
Inventors: 헌터 맥다니엘; 매튜 벨그렌; 니콜라이 마카로프
Original assignee: 유비큐디 인코포레이티드
Priority date: 2017-06-14
Filing date: 2018-06-14
Publication date: 2020-02-12
Also published as: EP3639014A1; CN110869750A; EP3639014A4; WO2018232192A1; US20220276091A1; US20180364098A1; CA3067353A1

Abstract

광 섬유, 및 상기 광 섬유 내부에 배치된 복수의 형광단을 포함하는 광학 요소가 제공된다. 상기 형광단은 50% 초과의 양자 수율을 갖고, 400㎚ 내지 2000㎚ 범위의 파장에서 최대 세기를 갖는 광의 스펙트럼을 방출한다.

Description

섬유와 결합된 광대역 광 소스

관련 출원에 대한 상호 참조

본 출원은 동일한 발명자 및 동일한 명칭을 갖는 2017년 6월 14일자로 출원된 미국 가출원 번호 62/519,857의 우선권의 이익을 주장하며, 이 선출원 문헌의 전체 내용은 본 명세서에 병합된다.

기술 분야

본 발명은 일반적으로 하향 변환 재료 및 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 의료 진단을 위해 형광 재료와 결합된 광 섬유 요소에 관한 것이다.

최소 침습적 영상 가이드 시술은 안전한 임상 실습에 매우 중요하다. 현재의 간호 표준은 기기 팁에서 실시간 피드백으로부터 이익을 얻을 수 있는 고가의 이미지 가이드 기술을 요구한다. 최종 사용자(외과 의사/환자)는 거짓 음성(false negative)을 줄이고 종양 진단 및 치료 결과를 개선하려는 노력에서 스펙트럼 조직 감지(Spectral Tissue Sensing: STS)의 발전으로 큰 혜택을 얻을 수 있다. 상업적 생존력에 도달하고 STS 시스템을 광범위하게 이용 가능하게 하려면 기본 광학 소스를 개선하면서 이러한 광자 바늘 시스템의 비용과 크기를 크게 줄여야 한다.

미국 암 학회(American Cancer Society)에 따르면, 2017년에만 미국에서 1,688,780의 새로운 암 사례가 진단되고 600,920건의 암 사망이 있는 것으로 추정된다. 미국은 절대 달러로 암으로 인한 경제적 손실이 가장 높고, 이 질병은 GDP의 1.73%를 차지한다. 가장 초기에 가장 치료 가능한 단계에서 암을 진단하면 환자에 가장 높은 생존 가능성을 제공한다. 또한 정확한 치료는 재발과 전이의 위험을 줄인다.

STS는 조직의 광학 특성을 결정하는 도구로 널리 사용된다. 이러한 도구는 암을 검출하고, 형태학적 및 생리학적 변화를 반영하는 조직 광학 특성의 변화를 모니터링하고, (예를 들어, 광 역학 요법에서) 치료 반응을 모니터링하기 위한 보조제로서 연구되고 있다. 근적외선(NIR) 스펙트럼 영역에서 뚜렷한 흡수 피크를 갖는 지질과 물의 농도를 결정하기 위해 최대 -1600㎚의 파장이 능동적으로 사용된다. 여러 임상 연구에 따르면 STS는 옥시 및 데옥시 헤모글로빈, 물 함량, 및 지질과 같은 고유한 생리학적 조직 특성에 관한 정보를 제공할 수 있고, 이는 각각 100%와 96%의 감도와 특이도로 유방암을 진단하는데 성공적으로 사용될 수 있다는 것이 밝혀졌다. 예를 들어, 조직 광학 지수(데옥시 헤모글로빈, 물 및 지질 조직 농도의 배합 기능)는 조직 대사, 구조 및 세포성을 기술하고, 따라서 건강한 조직과 암 조직을 구별하는데 직접 사용될 수 있다. 그러나, 지금까지는 부분적으로 불충분한 조명 소스로 인해 저비용 소형 시스템을 실현하는 것이 매우 어려웠다.

도 1은 형광단의 혼합물을 함유하는 형광단과 통합된 섬유를 따라 청색 광이 여기되는 본 발명의 하나의 모드를 나타내는 개략도이다. 이 모드는 간단한 접근 방식이다.
도 2는 가시광 내지 NIR을 커버하기 위해 점진적으로 더 긴 파장에서 방출되는 세그먼트를 갖는 형광단과 통합된 섬유를 따라 청색광이 여기되는 본 발명의 하나의 모드를 도시한 개략도이다. 이 모드는 자가 흡수를 제한한다.
도 3은 가시광 내지 NIR을 커버하기 위해 점진적으로 더 긴 파장에서 방출하는 형광단 세그먼트를 포함하는 섬유의 단부에서 청색광이 여기되는 본 발명의 하나의 모드를 나타내는 개략도이다. 이 모드는 자가 흡수를 제한하고, 필요한 LED의 수를 최소화하여 장치 크기를 최소화한다.
도 4는 현재의 STS 광학 셋업의 스케치이고, 즉 이것은 섬유에 연결된 할로겐 램프, 및 프로브(probe)의 팁에서 서로 옆에 위치된 2개의 개별 섬유에 연결된 2개의 분광계로 구성된다. 문헌(Nachabe, R.; Hendriks, B.H.W.; van der Voort, M.; Desjardins, A.E.; Sterenborg, H.J.C.M. Estimation of Biological Chromophores using Diffuse Optical Spectroscopy: Benefit of Extending the UV-VIS Wavelength Range to Include 1000 to 1600 ㎚. Opt. Expr. 2010, 18, 1432-1442) 참조.
도 5 내지 도 6은 통합된 액체 코어 광 섬유(liquid-core-optical-fiber: LCOF) 준비 및 자극된 라만(Raman) 생성 셋업을 도시하고, 여기서 a, 코닝(Corning) SMF28(왼쪽)과 10㎛ 코어 LCOF(오른쪽) 사이의 갭-접합부(Gap-splice), b, 코닝 SMF28의 두 세그먼트 사이의 갭-접합부. c, 액체 접근 포트 조립체, d, CS2로 채워진 통합된 1m 길이의 LCOF의 사진. e, CS2로 채워진 통합된 LCOF의 개략도. f, 실험 셋업의 개략도. PBS: 편광 빔 스플리터; MO: 현미경 대물렌즈; PD: 포토다이오드; OSA: 광 스펙트럼 분석기. 문헌(Kieu, K.; Schneebeli, L.; Norwood, R.A.; Peyghambarian, N. Integrated Liquid-Core Optical Fibers for Ultra-Efficient Nonlinear Liquid Photonics. Opt. Expr. 2012, 20, 8148-8154) 참조.
도 7은 조절 가능한 광대역 스펙트럼을 허용하는 상이한 농도의 QD를 혼합하는 것을 도시한다.
도 8은 (제조업체로부터) 오션 옵틱스(Ocean Optics) HL-2000-HP-FHSA의 스펙트럼을 도시한다.
도 9는 CuInS₂/ZnS 양자점(quantum dot)에 대한 전형적인 흡수 및 광 발광 스펙트럼(absorption and photoluminescence spectra)의 그래프이다. 이 QD는 실질적으로 독성 성분이 없고, 비 발암성인 것으로 여겨진다. QD는 90% 초과의 방출 양자 수율(emission quantum yield)을 가질 수 있다. 이 QD는 400㎚ 미만의 파장에서 최대 세기를 갖는 흡수 스펙트럼을 갖는다.
도 10은 CuInS₂, CuInSe₂, ZnS, ZnSe 및 이들의 조합으로 구성된 양자점의 상이한 크기 및 조성으로부터 발생하는 광 발광 스펙트럼의 그래프이다. 이 물질로 접근 가능한 최대 방출량은 400㎚ 내지 1200㎚이다.
도 11은 (그래프에 삽입된 상단 코너에 도시된) 프로토타입 섬유 결합 광 소스로부터 발생하는 광 발광 스펙트럼의 그래프이다. 프로토타입에는 단 하나의 크기의 QD만이 사용된다. 프로토타입에 부착된 광 섬유는 Thorlabs SMA 섬유 어댑터에 연결된다. 장치의 출력은 짧은(1.5ms) 통합 시간에 섬유 결합 분광계를 사용하여 측정된다. 청색 LED(왼쪽; Thorlabs 섬유 어댑터의 단부에서 밝은 적색 점은 커플링을 확인한다)와 작은 ChanZon LED(오른쪽; 왼쪽에서 밝은 적색 조명은 QD로부터 섬유로 연결한 후 섬유 어댑터에서 나온다)에 의해 여기된 장치의 사진이다.
도 12는 590-㎚ QD의 광대역 PL이 생물학적 완충액에서 소의 헤모글로빈을 통해 전파될 때 상당히 변하는 것을 보여주는 그래프이다. 이러한 스펙트럼을 분석하여 깊이 및 농도 정보를 추출할 수 있다.
도 13은 본 명세서의 개시 내용에 따른 확산 광학 분광 이미징 장치의 도면이다.
도 14는 도 13에 도시된 장치로 얻을 수 있는 상이한 파장(NIR을 포함)에서 다양한 발색단의 흡수 스펙트럼의 일례이다.

본 발명의 개요

일 양태에서, 광 섬유; 및 상기 광 섬유 내부에 배치된 복수의 형광단을 포함하는 광학 요소가 제공되고; 상기 형광단은 50% 초과의 양자 수율을 갖고, 상기 형광단은 400㎚ 내지 2000㎚ 범위의 파장에서 최대 세기를 갖는 광의 스펙트럼을 방출한다.

다른 양태에서, 개체에 대해 스펙트럼 조직 감지(STS) 분석을 수행하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 (a) 전자기 복사선의 입력 소스 및 광학 요소를 포함하는 기기를 제공하는 단계로서, 상기 광학 요소는 광 섬유 및 상기 광 섬유 내부에 배치된 복수의 형광단을 포함하고, 상기 형광단은 50% 초과의 양자 수율을 갖고, 상기 형광단은 400㎚ 내지 2000㎚ 범위의 파장에서 최대 세기를 갖는 광의 스펙트럼을 방출하고, 상기 형광단은 40㎚ 초과의 최대 세기에서 전폭(full-width)을 갖는 광의 스펙트럼을 방출하는, 상기 기기를 제공하는 단계; (b) 상기 광학 요소를 포함하는 광 경로를 따라 상기 입력 소스로부터 전자기 복사선을 지향시킴으로써 전자기 복사선의 출력 소스를 생성하는 단계; (c) 상기 출력 소스로부터 전자기 복사선으로 조직의 일부를 조사하는 단계; 및 (d) 조사된 조직에 대해 STS 분석을 수행하는 단계를 포함한다.

상세한 설명

1. 정의 및 약어

용어 및 약어에 대한 다음의 설명은 본 발명을 보다 잘 설명하고 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 실시하는 것을 지침을 주기 위해 제공된다. 본 명세서에 사용된 "포함하는"은 "함유하는"을 의미하고, 단수 형태의 요소 또는 "상기" 요소는 문맥 상 명백하게 달리 지시하지 않는 한, 복수의 요소를 포함한다. "또는"이라는 용어는 문맥 상 명확하게 달리 지시하지 않는 한, 언급된 대안 요소 중 하나의 요소를 말하거나 또는 2개 이상의 요소의 조합을 말한다.

달리 설명하지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어는 본 발명과 관련된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 본 명세서에 기재된 조성물, 시스템 및 방법론을 실시 또는 시험하기에 적합한 방법 및 조성물이 본 명세서에 기재된다. 그러나, 본 명세서에 기술된 것과 유사하거나 동등한 다른 방법 및 재료가 이들 조성물, 시스템 및 방법론을 실시 또는 시험하는 데에 사용될 수 있는 것으로 이해된다. 그 결과, 본 명세서에 개시된 조성물, 재료, 방법 및 실시예는 단지 예시적인 것일 뿐 본 발명을 제한하려고 의도된 것이 아니다. 본 발명의 다른 특징은 다음의 상세한 설명 및 첨부된 청구 범위로부터 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.

달리 지시되지 않는 한, 본 명세서 또는 청구범위에 사용된 성분, 백분율, 온도, 시간 등의 양을 나타내는 모든 숫자는 "약"이라는 용어에 의해 수식되는 것으로 이해되어야 한다. 달리 지시되지 않는 한, 명세서 또는 청구범위에 사용된 콜로이드성, 연속성, 결정성 등과 같은 비-수치적인 특성은 큰 범위 또는 정도를 의미하는 "실질적으로"라는 용어에 의해 수식되는 것으로 이해되어야 한다. 따라서 암시적으로 또는 명시적으로 달리 지시하지 않는 한, 제시된 수치적 파라미터 및/또는 비-수치적 특성은 추구되는 원하는 특성, 표준 시험 조건 또는 방법 하에서의 검출 한계, 처리 방법의 한계, 및/또는 파라미터 또는 특성의 특성에 의존할 수 있는 근사치이다. 논의된 종래 기술로부터 실시형태를 직접 명시적으로 구별할 때, "약"이라는 단어가 언급되지 않으면 실시형태의 수치는 근사치가 아니다.

발암 물질: 임의의 포유동물에서 암을 직접 또는 간접적으로 유발하는 것으로 밝혀진 물질.

광 섬유: 광을 위한 원통형 도파로. 안내될 광은 UV, 가시광, NIR 또는 IR일 수 있다. 섬유는 중합체 또는 세라믹으로 제조될 수 있다. 전형적인 광 섬유 재료는 유리, 아크릴 중합체, 비닐, 이오노플라스트 및 실리콘이다.

광 발광(photoluminescence: PL): 광 흡수 후의 광(전자기 복사선, 광자)의 방출. 이것은 발광(광 방출)의 한 형태이며 광 여기(광자에 의한 여기)에 의해 개시된다.

독성: 카드뮴, 납 또는 수은과 같은 인 또는 중금속의 존재로 인해 살아있는 유기체를 손상시킬 수 있는 물질을 나타낸다.

양자점(Quantum Dot: QD): 양자 구속으로 인해 크기에 의존하는 전자적 및 광학적 특성을 나타내는 나노 크기 입자. 본 명세서에 개시된 양자점은 바람직하게는 약 50 나노미터 미만의 적어도 하나의 치수를 갖는다. 개시된 양자점은 콜로이드성 양자점일 수 있는데, 즉 액체 매체에 분산될 때 현탁액에 남아 있을 수 있는 양자점일 수 있다. 본 명세서에 기술된 조성물, 시스템 및 방법론에 이용될 수 있는 양자점 중 일부는 화학식 MX를 갖는 이원 반도체 물질로 제조되며, 여기서 M은 금속이고 X는 전형적으로 황, 셀레늄, 텔루륨, 질소, 인, 비소, 안티몬 또는 이들의 혼합물로부터 선택된다. 본 명세서에 기술된 조성물, 시스템 및 방법론에 이용될 수 있는 예시적인 이원 양자점은 CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe, PbTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, InP, InAs, Cu₂S 및 In₂S₃을 포함한다. 본 명세서에 기술된 조성물, 시스템 및 방법론에 이용될 수 있는 다른 양자점은 ZnSSe, ZnSeTe, ZnSTe, CdSSe, CdSeTe, HgSSe, HgSeTe, HgSTe, ZnCdS, ZnCdSe, ZnCdTe, ZnHgS, ZnHgSe, ZnHgTe, CdHgS, CdHgSe, CdHgTe, ZnCdSSe, ZnHgSSe, ZnCdSeTe, ZnHgSeTe, CdHgSSe, CdHgSeTe, CuInS₂, CuInSe₂, CuInGaSe₂, CuInZnS₂, CuZnSnSe₂, CuIn(Se,S)₂, CuInZn(Se,S)₂ 및 AgIn(Se,S)₂ 양자점을 포함하지만 이들로 제한되지는 않는 3원, 4원 및/또는 합금 양자점이지만, 비-독성 양자점을 사용하는 것이 바람직하다. 개시된 양자점의 실시형태는 단일 재료일 수 있고, 또는 내부 코어 및 외부 쉘(shell)(예를 들어, 양이온 교환과 같은 임의의 적합한 방법에 의해 형성된 얇은 외부 쉘/층)을 포함할 수 있다. 양자점은 양자점 표면에 결합된 복수의 리간드(ligand)를 추가로 포함할 수 있다.

양자 수율(Quantum Yield: QY): 형광단에 방출된 광자의 수 대 방출된 광자의 수의 비.

형광단: 제1 스펙트럼의 광을 흡수하고 제2 스펙트럼의 광을 방출하는 물질.

스토크스 이동(Stokes shift): 흡수 숄더(shoulder)의 위치 또는 국소 흡수 최대값과 방출 스펙트럼의 최대값 사이의 에너지 차이.

방출 스펙트럼: 광 발광 물질이 피크 PL 방출의 적어도 1%인 진폭을 갖는 (광 소스, 즉, 광원에 의한 여기에 응답하여) 광 발광을 나타내는 전자기 스펙트럼 부분.

발광 집광기(luminescent concentrator: LC): 전자기 복사선의 스펙트럼 및 광자 선속을 더 높은 광자 선속을 갖는 더 좁은 새로운 스펙트럼으로 변환하기 위한 장치. LC는 흡수에 의해 넓은 영역에 걸쳐 복사선을 수집하고, 이를 PL에 의해 새로운 스펙트럼으로 변환한 다음, 생성된 복사선을 내부 전반사에 의해 상대적으로 작은 출력 표적으로 지향시키는 원리로 작동한다.

발광 태양광 집광기(LSC): 여기서 LC의 동의어로 사용된다.

광자 선속: 전형적으로 평방미터당 초당 카운트로 측정된, 단위 시간당 단위 면적을 통과하는 광자의 수.

중합체: 다수의 반복된 하위 단위로 구성된 대형 분자 또는 매크로 분자. 중합체는 폴리스타이렌 또는 폴리(메틸메타크릴레이트)(PMMA)와 같은 친숙한 합성 플라스틱에서부터 생물학적 구조 및 기능에 기본이 되는 DNA 및 단백질과 같은 천연 바이오 중합체에 이른다. 천연 및 합성 중합체는 단량체로 알려진 많은 작은 분자를 중합시키는 것을 통해 생성된다. 예시적인 중합체는 폴리(메틸메타크릴레이트)(PMMA), 폴리스타이렌, 이오노플라스트, 실리콘, 에폭시 수지, 및 매니큐어(nail polish)를 포함한다.

자가 흡수율: 동일한 복수의 형광단에 의해 흡수되는 복수의 형광단으로부터 방출되는 광의 백분율.

2. 개요

현재 설계된 STS 통합 시스템은 오션 옵틱스, HL-2000-HP와 같은 섬유와 결합된 텅스텐 할로겐 광대역 광 소스를 사용한다. 이러한 유형의 광대역 광 소스는 몇 가지 단점이 있다. 우선, 현재 텅스텐-할로겐 전구 광 소스는 부피가 크다. 둘째, 충분한 양의 광을 광 섬유에 결합시키기 위해 상당한 노력이 요구된다. 반사기 및 초점 렌즈는 커플링 효율을 극대화하는 데 사용된다. 셋째, 스펙트럼 형상은 대부분 광 소스의 색 온도에 의해 고정되고, 최적의 성능을 위해 조절될 수 없다. 마지막으로, 이 전구와 관련된 상당한 예열 시간이 있으며 종종 10분이다. 전반적으로, 이는 이 특정 응용에서 다수의 기술적 단점을 갖는 비교적 크고 값비싼 섬유 결합 유닛을 초래한다. 이러한 한계는 광 소스의 유연성을 제한하고 STS 기술의 광범위한 채택을 방해한다.

광범위하고 조절 가능한 방출을 생성하기 위해 효율적이고 강렬한 LED와 결합된 저비용, 저독성 밝은 QD를 이용함으로써 광 섬유에 통합될 수 있는 새로운 광대역 조명 광 소스가 본 명세서에 개시된다. 이 광 소스는 또한 종래 기술에 기초한 것보다 생산 비용이 저렴할 수 있다.

콜로이드성 반도체 나노 결정 또는 QD는 전형적으로 크기가 20㎚ 미만인 작은 조각의 반도체 물질이다. 크기가 작기 때문에 이러한 재료는 광범위한 색상 범위에 걸쳐 크기 조절 가능한 PL 방출, 강력하고 광대역 흡수, 및 현저히 높은 PL 효율을 포함하는 여러 유리한 특성을 갖는다. QD의 크기를 변경하는 것은 재료를 합성하는 데 사용되는 용액 처리 기술로 인해 비교적 간단하다.

QD 크기를 조절할 수 있는 능력, 이에 따라 흡수/방출 스펙트럼을 조절할 수 있는 능력은 재료 조성을 변경할 필요 없이 풀 컬러 스펙트럼에 걸쳐 유연한 형광을 허용한다. QD 크기가 증가함에 따라 흡수 개시 및 PL 스펙트럼은 적색 파장으로 이동하는 반면, 크기가 감소함에 따라 흡수 및 PL이 청색을 향해 이동한다. 콜로이드성 QD의 크기 조절 가능성(tunability)은 QD의 크기를 수정하고 여러 다른 크기를 혼합하면 광대역 스펙트럼을 쉽게 조작할 수 있기 때문에 STS 적용에 유리하다. 또한, UV-청색 광을 광범위하게 흡수하면 섬유 결합된 광 소스로 쉽게 이용 가능한 단일 청색 또는 UV LED만으로 모든 QD를 동시에 여기시킬 수 있다. 거의 1의 QY를 갖는 밝은 PL은 조명 광 소스를 또한 보다 에너지 효율적으로 만들 수 있다는 것을 의미한다. 마지막으로, 매우 작은 크기의 나노 결정은 또한 액체 용액 형태로 중공 코어 섬유에 이 나노 결정을 삽입하고, 이후에 이를 중합하는 것에 의해, 또는 QD를 섬유의 팁 상에 직접 배치하는 것에 의해, 산란을 최소화하면서 광 섬유에 쉽게 통합될 수 있다는 것을 의미한다. QD를 제조하는데 용액 합성 기술을 사용한다는 것은 할로겐 전구를 제조하고 나서 할로겐 전구를 광 섬유에 결합시키는 것에 비해 비용 효율적이고 확장 가능한 접근법을 의미한다.

현재, 콜로이드성 QD의 최대 시장은 디스플레이 분야이며, QD는 화질 및 효율을 개선하기 위해 순수한 (적색-녹색-청색) 백색 백라이트를 생성하는데 사용된다. 이는 QD를 사용하여 청색 LED로부터 방출된 청색 광자를 방출 폭이 좁은 적색 및 녹색 광자로 효율적으로 하향 변환함으로써 달성된다. 이것은 적색, 녹색 및 청색 색상이 매우 순수하고 밝기 때문에 선명하고 눈에 띄는 디스플레이를 생성한다.

현재의 콜로이드성 QD 기술의 한 가지 문제점은 카드뮴 셀레나이드(CdSe), 황화납(PbS) 또는 인듐 인화물(InP)과 같은 물질 조성을 이용하는데 이는 모두 독성 물질이라는 것이다. 높은 제조 비용(>$100,000/kg)과 함께, 이 기술의 양태는 궁극적으로 사람들에 노출되는 위험을 줄이기 위해 나노 결정을 미량으로만 캡슐화하여 사용하는 시장으로 QD의 적용을 제한했다.

대안적인 QD 기술이 직면한 독성 문제, 제조 비용 및 제한된 조절 가능성 범위는 광대역 STS 조명 광 소스에서 이들 기술을 사용하는데 문제를 야기한다. 무엇보다 이러한 물질은 건강에 상당한 위험을 초래한다. 또한 이것은 현재 기술에 비해 가격 혜택을 제공하지 않으며, 일반적으로 관심 스펙트럼 범위를 커버하기 위해 하나를 초과하는 QD 유형을 요구한다. 본 명세서에 개시된 장치 및 방법의 바람직한 실시형태는 제조 비용이 저렴하고 위험한 물질을 함유하지 않는 극히 밝은 QD를 이용하기 때문에 이러한 문제를 해결하는데 이용될 수 있다.

현재, 최고 성능의 I-III-VI QD는 CuInS₂/ZnS로 구성된다. 이러한 QD는 제조 비용이 낮고 독성이 낮으며 (일부 경우에) 성능이 향상되는 것으로 인해 신흥 QD 산업에서 파괴력이 있을 가능성이 있다. CuInS₂/ZnS는 독성 및 비용의 중요한 지표에서 CdSe 또는 PbSe와 같은 일반적인 QD 재료를 능가한다. 다른 성능 지표에서는 CuInS₂/ZnS QD도 유리하다. 예를 들어, 이것은 재료의 자가 흡수를 제한하고 광 섬유에 더 높은 농도의 QD를 사용할 수 있는 큰 스토크스 이동(-450 meV)을 갖는다. 또한, 넓은 방출 스펙트럼은 광대역 조명 소스를 생성하는데 더 적은 수의 다른 QD가 필요하다는 것을 의미한다. 이러한 이유로, 본 명세서에 개시된 바람직한 실시형태의 (바람직하게는 콜로이드성) QD는 고유한 기회를 생성할 수 있고, QD 기반의 섬유와 통합된 소형 광대역 조명 소스를 개발하기 위한 최상의 옵션을 제공할 수 있다. 이러한 조명 소스는 STS 응용에서 특히 유리할 수 있다.

바람직한 실시형태에서, 쉘로 둘러싸인 I-III-VI QD가 제공된다. 지금까지는 구체적으로 CuInSexSWZnS QD에 노력이 집중되었으나, 다른 I-III-VI 반도체(예를 들어, CuGaS₂, AgInSe₂ 등)가 또한 본 명세서에 개시된 장치 및 방법론에 이용될 수 있고, 스펙트럼의 적외선(IR) 및 청색 영역 쪽으로 조절 가능성을 확장시키는 데 이용될 수 있다.

코어 물질은 벌크 형태(매크로 크기, 일반적으로 "CIS"또는 "CIGS"로 알려짐)로 새로운 것이 아니며, 20% 초과의 변환 효율을 갖는 유연하고 독성이 없는 박막 태양광 전지를 만드는 데 사용되었다. 이 재료는 합금(즉, 상기 식에서 x는 대역 갭을 조정하기 위해 변경될 수 있음)이기 때문에, 광학 스펙트럼은 크기에 더하여 조성에 의해 조절될 수 있으며, 이는 훨씬 더 큰 유연성을 허용한다. 이것은 스펙트럼에 관계없이 최적의 크기가 필요한 응용 분야에서 특히 매력적이다. 이 기능은 가시광 및 NIR 스펙트럼 범위가 모두 필요할 수 있는 STS 적용에도 중요하고; 이러한 범위는 여러 다른 유형의 QD를 혼합할 필요 없이 다른 QD 조성물에 의해 쉽게 접근할 수 없다. 오늘날 시장에 있는 대부분의 QD는 CdSe 또는 PbS로 구성되며, 적어도 두 가지 주요 단점이 있는데, 즉, 가격이 비싸고(소매가 > $10,000/g) 독성이 있다. 본 명세서에 개시된 I-III-VI QD는 주로 단일 반응기 합성을 사용하여 이들 물질 및 수반하는 저렴한 전구체를 합성하는 것으로 인해 CdSe 및 InP와 같은 다른 상용화된 QD 재료에 비해 훨씬 더 저렴하다. 이러한 QD와 관련하여 저비용으로 제조하고 저독성 재료를 사용하는 것으로 인해 이러한 재료는 CdSe 및 InP QD에는 적합하지 않은 시장(예를 들어, STS 등)에 보편적으로 있을 수 있다.

현재까지, 3가지 주요 도전으로 인해 STS를 위해 저비용 소형 시스템을 실현하는 것이 매우 어려웠다. 이러한 도전 중 첫 번째는 광대역 조명 문제이다. 가시광, 근적외선 및 단파 적외선을 모두 커버하는 연속 광대역 스펙트럼으로 연구 중인 샘플을 조명하려면 부피가 크고 에너지 비효율적인 백열등 또는 할로겐 램프에 의존해야 한다.

두 번째 도전은 광대역 감도 문제이다. 특히, 조직의 상이한 유형을 구별하기 위해, 스펙트럼 조직 감지 장치는 현재 이산, 부피가 크고 고가의 분광계를 결합시키는 것에 의해서만 가능한 넓은 스펙트럼 범위(400㎚ 내지 1700㎚)에 걸쳐 높은 감도를 필요로 한다.

세 번째 도전은 통합 문제이다. 특히, 현재 고성능이며 여전히 완전히 통합되고, 소형화되고 비용 효율적인 시스템은 없다.

본 발명의 목표는 광 방출이 넓고 밝은 CuInSe_xS₂ _-x/ZnS 양자점(QD)을 형광체로 사용하여 광대역 조명 문제를 해결하고, 이 기술을 최종 시스템에 통합하여 광대역 감도 및 통합 문제를 해결하는 것이다. 본 명세서에 개시된 바람직한 재료의 하나의 주요 차이점은 넓은 스펙트럼 범위에서 QD의 높은(95% 초과의) 양자 수율(QY)이며, 이는 LED 기반의 섬유 결합 광대역 조명 소스의 사용을 허용할 수 있다. 개별 QD(피크 파장/농도)를 조정하여 스펙트럼의 형상을 조작할 수 있는 추가된 능력은 기존 광 소스에 비해 또 다른 중요한 장점을 제공한다.

바람직한 실시형태에서, 본 명세서에 이용된 발광 물질은 기판 내에 또는 기판 상에 배치된 복수의 형광단(예를 들어, CuInZnSeS 양자점)을 포함한다. 형광단은 50% 초과의 양자 수율, 및 400㎚ 미만의 파장에서 최대 세기를 갖는 흡수 스펙트럼을 갖고, 400㎚ 내지 1200㎚ 범위의 파장에서 최대 세기를 갖는 광의 스펙트럼을 방출한다.

광대역 조명 문제

가시광, 근적외선 및 단파 적외선을 커버하는 연속 스펙트럼으로 연구 중인 샘플을 조명하기 위해, 충분한 신호 대 잡음비를 제공하기에는 너무 약한 부피가 크고 비효율적인 램프에 의존해야 한다. 소형의 밝고 저렴한 섬유 결합 조명 소스가 매우 바람직하다. 본 발명의 목표는 본 명세서에 개시된 유형의 CuInSe_xS_2-x/ZnS 양자점(QD)을 사용하여 광대역 조명 문제를 해결하는 것이다. 이 QD는 청색 LED로 여기되어 가시광에서부터 NIR까지 넓고 밝은 방출을 제공한다. 이 접근법의 주요 특징은 넓은 스펙트럼 범위에서 이러한 QD의 높은(95% 초과의) 양자 수율(QY)이며, 이는 LED 기반의 섬유 결합 광대역 조명 소스를 허용한다. 개별 QD(피크 파장/농도)를 조정하는 것에 의해 스펙트럼의 형상을 조작할 수 있는 추가된 능력은 기존 광 소스에 비해 또 다른 중요한 장점을 제공한다.

본 명세서에 개시된 환경 친화적이고 비용 효과적인 CuInSe_xS₂ _-x/ZnS QD는 대안 물질에 비해 유리한 특성을 가지는데, 즉 광범위한 색상에 걸친 크기 조절 가능한 광 발광(PL), 광대역 흡수, 매우 밝은 PL(QY>95%), 최소한의 자가 흡수, 및 청색-녹색에서부터 NIR에 이르는 높은 조절 가능성을 포함한다. 더 중요한 것은, QD의 자가 흡수가 낮아 상당한 재흡수 없이 강렬한 광대역 "백색 광" 스펙트럼을 생성할 수 있다는 것이다.

본 명세서에 개시된 STS 시스템 및 방법론의 더 넓은 사회적 영향은 적어도 2배이다. 우선, 암을 신속하게 검출하는 데 중요한 비용 효율적이고 시간을 절약하는 진단 도구를 사용할 수 있어서 보다 신속하고 효율적인 건강 관리를 가능하게 한다. 암에 적시에 개입하면 더 나은 결과와 더 많은 생명을 구하기 위한 첫 번째 단계이다. 둘째, 이것은 건강한 조직과 악성 조직을 차별화하여 수술 중 실시간 피드백을 제공한다. 이를 통해 모든 악성 조직을 제거하고 건강한 조직을 보존할 수 있어서, 수술 동안 합병증을 크게 줄이고 수술 후 전이 및 암의 재발을 크게 줄일 수 있다. 더 나은 진단과 수술은 더 많은 생명을 구해 사회에 긍정적인 영향을 줄 수 있다. 또한, 피드백 시간 및 재발의 감소는 환자의 건강 관리 측면에서 상당한 절약을 실현할 수 있다.

본 명세서에 개시된 시스템 및 방법론은 STS 장치에 상당히 감소된 (그리고 덜 비싼) 폼 팩터(form factor)를 도입함으로써 광범위하게 이용되는 STS를 가능하게 하여, 기기가 병원 전체에 광범위하게 구현될 수 있고 심지어 의사의 사무실에도 공급될 수 있다. 즉각적인 피드백을 제공하는 능력은 더 빠른 의료 진단을 초래할 수 있다. STS 기술을 광범위하게 채택하면 진단의 정확성과 특이성을 개선하기 위해 수백만 개의 스펙트럼을 연속적으로 분석할 수 있는 "스마트" 데이터베이스를 생성할 수 있다. 궁극적으로 이러한 종류의 장치를 사용하면 의사가 STS 데이터에 기초하여 정확하고 구체적인 치료 계획을 처방할 수 있는 능력을 제공하는 것으로 인해 공중 보건이 향상될 수 있다. 전반적으로, 본 명세서에 개시된 유형의 QD를 사용하여 STS용 광대역 광 소스를 개발하면 환자, 의사 및 보험 회사의 비용을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 초기 검사, 진단 및 수술 사이의 시간 간격을 줄여서 많은 생명을 구할 수 있다. 마지막으로, 독성이 낮은 것으로 인해 광 소스에 사용될 수 있는 QD는 다른 QD 재료에 의해 제기될 수 있는 환경, 건강 또는 안전(EH&S) 문제를 일으키지 않는다.

암 치료 관련 비용 및 간접 사망률 비용으로 인한 총 경제적 손실은 꾸준히 증가하고 있으며 현재 2천억 달러를 넘고 있다. 따라서, 건강 상의 합병증이 가장 적은 상태에서 생존할 최고 가능성을 환자에게 제공하기 위해 가장 이른 가장 치료 가능한 단계에서 암을 진단하는 것이 가장 중요하다. 리서치 회사인 퓨처 마켓 인사이트(Future Market Insights)는 2017년 1월에 글로벌 생검 장치 시장이 시간 기간 2016년 내지 2026년에 걸쳐 6.5% CAGR로 성장할 것이며 2026년에는 $2.7B를 초과하는 가치가 있을 것으로 예측했다. 또한 2016년 바늘이 수익의 37.6%를 차지하고 2026년에는 $960M의 가치가 있을 것으로 추정된다. 이상적으로, 기존의 생검 바늘은 "광자 바늘"로 대체되어 바늘 정확도를 개선하고 즉각적인 피드백을 제공할 수 있다. 이 광자 바늘 각각은 STS 측정을 위해 광대역 광 소스를 필요로 할 수 있다. 대안적으로, 광대역 광 소스는 광 섬유의 세그먼트에서 일회용 바늘 앞에 통합될 수 있으며, 이는 용도에 특정된 요구에 맞게 상호 교환 가능하고 조절 가능할 수 있다.

스펙트럼 조직 감지를 위한 통합 분광계(InSPECT) 컨소시엄은 광대역 조명(가시광, 근적외선 및 단파 적외선을 모두 커버하는 효율적인 연속 광대역 스펙트럼으로 연구 중인 샘플을 조명하는 능력) 문제를 기술의 주요 문제 중 첫 번째 문제로서 식별한다. 광대역 광 소스의 다른 중요한 응용 분야는, (a) 추가 수술이 필요 없도록 수술 동안 암 조직 및 질병 조직을 완전 절제하는 것을 보장하는, 림프절을 식별하고, 및 (b) 특정 세포 유형에 결합하고 특정 광 소스 하에서 방출을 나타내는 신체에 주입된 분자 작용제를 조명하는 것을 포함하지만 이들로 제한되지 않는다. 본 명세서에 개시된 광대역 QD 기반 광 소스는 (이 기술 분야에서 개발될 수 있는 다른 시스템과 함께) InSPECT 시스템이 이들 광 소스를 사용할 수 있게 하고, 바늘 시장을 포함하여 시장에서 장치의 상당한 침투를 즐길 수 있게 한다.

바이오 메디컬 및 바이오 이미징 산업은 저독성 QD 기반 기술에 대해 상당한 성장 시장을 제공한다. 2017년 2월에, 바이오 마커 시장인 이들 산업의 하나의 서브셋은 2016년에 $28B의 가치가 있는 것으로 추정되었으며 2021년까지 $54B로 성장할 것으로 예상되었다. 현재, CdSe에 기초한 것과 같이 유기 염료, 형광 단백질 및 독성 QD가 시장을 지배하고 있다. 그러나 STS 광대역 광 소스 응용을 위해 현재 솔루션은 모두 NIR 스펙트럼 범위쪽 성능이 부족하다. 부피가 큰 전구(텅스텐 할로겐)가 조명 소스로 사용되지만 효율이 낮고 광 섬유와 결합하기가 어렵다. 거의 1의 QY를 갖는 저렴한 CuInSe_xS_2-x/ZnS QD는 섬유 결합 LED에 의해 여기될 수 있으며, 섬유와 통합되어 효율성, 가격 및 소형화 문제를 해결할 수 있다.

STS 조명 시장에서 종래의 광 소스는 백열등 및 할로겐 전구, 다른 유형의 QD, 및 NIR 형광체를 포함한다. 기존의 전구와 관련하여, 본 명세서에 개시된 조명 기술은 주로 소형화, 세기(섬유 결합) 및 효율과 경쟁할 것으로 예상되며, 저렴한 접근법으로 남아 있을 것으로 예상된다. 다른 유형의 QD는 독성이 있으며, 원하는 스펙트럼 범위에 걸쳐 PL을 조절할 수 없다. 더욱이, CdSe- 및 PbSe-기반 QD의 작은 스토크스 이동은 많은 양의 재흡수를 초래하여 장치 효율을 크게 감소시킨다. NIR 형광체는 저개발 상태이며 일반적으로 효율이 낮다. 또한, 광대역 방출(가시광-NIR)의 요구 사항을 만족시키기 위해 적어도 4개의 상이한 형광체 조성물이 필요하여, 이에 장치 조립체 및 공급망을 복잡하게 한다. CuInSe_xS_2-x/ZnS QD는 크기와 조성에 따라 가시광선에서부터 NIR로 쉽게 조절될 수 있어서 출력 스펙트럼을 쉽게 조작할 수 있게 한다는 점에서 형광체에 비해 또 다른 뚜렷한 장점을 갖는다. 형광체 방출은 대체로 고정되어 있으며, 설계 자유도 없이 도펀트 에너지 레벨을 기반으로 한다. 본 명세서에 개시된 CuInSe_xS_2-x/ZnS QD는 모든 카테고리에서 우수할 수 있고, 개선된 성능을 갖는 STS 장치를 가능하게 할 수 있다는 것을 상기 표로부터 이해할 수 있을 것이다. 현재, 예비 추정치는 광대역 조명 광 소스 각각이 10mg 이하의 다양한 CuInSe_xS₂ _-x/ZnS QD를 요구할 것을 제안한다.

콤팩트하고 강렬한 광대역 광 소스의 개발로부터 이익을 얻을 수 있는 적어도 4개의 직접 응용 분야가 있다. 이 응용 분야는 (1) 종양 생검 동안 바늘 팁에서 스펙트럼 조직 감지; (2) 암 병기를 절제하기 위해 림프절의 식별; (3) 수술 동안 암 조직의 완전한 절제 보장, 및 (4) 특정 세포 유형을 식별하기 위해 신체 내 형광제의 여기를 포함한다. 현재 기술에서 발생하는 신호 대 잡음비는 널리 채택하기에는 부적절하며, 광 소스를 개선하면 기술이 번창하는 데 필요한 개선을 제공하는 데 도움이 된다. 본 명세서에 개시된 장치 및 방법은 콤팩트한 패키지에서 강렬한 광대역 광을 전달할 수 있는 잠재력이 있는 것으로 인해 여러 영역의 스펙트럼을 분석하는 데에 유리할 것으로 예상된다.

본 발명의 목적은 전체 관심 스펙트럼 범위에 걸쳐 밝은 CuInSe_xS₂ _-x/ZnS QD를 제공하는 것이다. 솔리드 스테이트 조명 및 발광 태양광 집광기(예를 들어, DOE SBIR DE-SC0015184 및 NSF SBIR ΠΡ-1622211 참조) 개발과 관련된 이전의 노력 덕분에, QD의 광 발광(PL) 양자 수율(QY)은 적색(600㎚ 내지 700㎚)에서 및 NIR(-800㎚ 내지 1000㎚) 스펙트럼 범위의 일부에서 50% 미만으로부터 95% 초과로 향상되었다. 단파장(-550㎚ 피크) 및 장파장(>1000㎚)에서의 QY 값은 여전히 약간의 개선이 필요하지만, 이것은 주로 이러한 스펙트럼 영역을 개발하는 것에 대해 일하는 것을 요구하는 것이 지금까지 불충분하였기 때문이다. QD 성능과 관련하여 다음으로 중요한 이정표는 특히 NIR 방출 범위가 1500㎚로 확장될 때 높은 QY를 여전히 유지하는 광대역 STS 광 소스를 달성하기 위해 QD(여러 크기 및/또는 조성)의 혼합물을 개발하는 것이다.

본 발명의 목적은 또한 이 QD를 광 섬유에 통합시켜 높은 세기이고 신뢰성 있는 조명 소스를 제공하는 것이다. 가장 간단한 접근법은 청색 여기 LED의 출력 섬유에 직접 접합될 수 있는 중공 섬유에 액체 용액 내 QD를 통합시키는 것에 기초할 수 있다. 이 플랫폼은 QD의 양, 농도 및 부피를 변경하여 제품을 검증하고 제품을 최적화하는 데 쉽게 사용될 수 있다. 이 플랫폼은 최종 STS 제품을 공동으로 개발하는데 추가로 사용될 수 있다. 그러나, 최종 제품의 경우, 중공 섬유 내에 QD를 함유하는 PMMA를 중합하거나 또는 섬유의 팁 상에 QD를 배치하는 것과 같은 대안이 이용될 수 있다. 대안적으로, 광 소스는 발광 태양광 집광기(LSC)의 버전인 여러 개의 소형(-1x1x0.1cm) 조각의 중합체로 구성될 수 있고; 여기서 광 섬유는 동일한 중합체에 통합되고 단일 출력으로 결합된다. QD는 간단하고 저렴한 청색 LED(예를 들어, ChanZon 10DGL-DZ-3W-BL, 10 pes에 $7)에 의해 여기될 수 있다. LSC에서 집광된 PL은 광 섬유에 결합되어 출력으로 전달된다. 이 간단한 프로토타입은 고유한 조절 가능한 광 소스를 허용하는데, 즉 여러 개의 작은 LSC를 개별 색상 QD와 결합하고 각각에 대한 여기 전력을 독립적으로 제어할 수 있게 함으로써 소형이지만 매우 유연한 광대역 광 소스를 얻을 수 있다. 예를 들어, 출력 스펙트럼은 1000㎚ 내지 1100㎚ 부근의 Si 검출기의 감도 저하를 보상하기 위해 쉽게 수정될 수 있다.

3. 특정 실시형태의 설명

본 발명의 목표는 STS 응용을 위해 새로운 섬유 통합 광대역 조명 소스를 생성하는 것이다. 중공 코어 광 섬유가 광자 응용을 위해 다양한 발색단의 액체를 함유하는데 이용될 수 있다는 것이 이미 입증되었다. 이 방법은 나중에 액체 용액에서 약한 3차 비선형 효과의 특성 분석을 수행하는 데 사용되었다. 이 기술의 중요한 측면은 액체 코어 광 섬유를 표준 단일 모드 광 섬유로 융합 접합시키는 능력이다. 이 능력은 기술을 완전히 통합하고 실용적으로 만들며, 이는 액체 광자 응용 분야에서의 진보를 이전에 크게 방해했던 주요 문제이다. 이러한 장점은 중공 코어 섬유의 다양한 세그먼트(및 세그먼트 수)를 다양한 시퀀스(하나 이상의 세그먼트 유형이 반복되는 실시형태를 포함함)로 그리고 다른 세그먼트 길이, QD 크기, 농도 등으로 조합할 수 있게 하여, 이것을 STS 광대역 조명 소스를 시험하기 위한 유연한 플랫폼으로 만든다.

저비용, 소형화, 섬유 통합 및 밝은 광대역 광 소스에 대한 산업적 요구를 만족시키기 위해, CuInSe_xS₂ _-x/ZnS QD에 기초한 시스템 및 방법론이 본 명세서에 개시된다. CuInSe_xS₂ _-x/ZnS QD는 최소의 자가 흡수, 밝고 광대역 PL, 및 색상 조절 가능한 광학 특성으로 인해 기존 할로겐 전구의 고유한 대안이다. QD 기반 광 소스는 최적의 조명 스펙트럼을 생성하도록 구성 QD의 피크 방출 및 농도를 수정하여 출력 스펙트럼을 조절할 수 있다는 점에서 기존 전구와는 다르다. 보다 구체적으로, 이것은 Si 기반 및 InGaAs 기반 분광계의 감도 차이를 균형 잡는 것에 의해 검출의 신호 대 잡음비를 증가시키는 데 도움이 될 수 있다. 또한, 조명 스펙트럼 밀도를 변경하는 것에 의해 각각의 개별 분광계에 대한 스펙트럼 감도의 차이를 보상할 수 있다.

광대역 조명 광 소스로서 QD를 사용하기 위한 몇몇 접근법이 존재한다. 먼저, 광대역 스펙트럼은 소정의 범위의 파장에 걸쳐 방출되는 상이한 크기의 QD를 혼합하여 넓은 스펙트럼을 생성함으로써 생성될 수 있다. 그러나, 이러한 접근법은 QD의 농도가 밝은 광 소스에 필요할 수 있는 정도로 높으면 더 긴 파장에서 방출하는 QD에 의해 방출 스펙트럼의 단파장 부분이 재흡수될 것이라는 단점을 갖는다. 본 명세서에 개시된 바람직한 I-III-VI QD의 낮은 자가 흡수는 이 문제를 해결하는 관점에서 정량화 가능한 장점을 제공한다.

광 섬유를 따라 세그먼트에서 상이한 크기/구성의 QD의 배열을 특징으로 하고 NIR QD는 여기 LED 옆에 있고, 가시광 QD는 광 소스 출력에 더 가까이 있는 대안적인 접근법이 또한 가능하다. 이 접근법은 재흡수 문제를 거의 완전히 피한다. 각 세그먼트의 길이 및 각 세그먼트 내의 QD 농도는 출력 스펙트럼을 제어하는데 사용될 수 있다. 앞에서 설명한 액체 코어 광 섬유는 이 접근법에 이상적인 테스트 플랫폼을 나타낼 수 있다. 다양한 QD를 가진 섬유 세그먼트는 최적의 조건을 결정하도록 함께 제조 및 결합될 수 있다. 또한, 서로 200㎚ 떨어진 2개의 뚜렷한 방출 피크를 갖는 QD는 설계를 단순화하기 위해 재흡수 없이 동일한 세그먼트에서 혼합될 수 있다. 각 세그먼트의 길이 및 각 세그먼트 내의 QD 농도는 출력 스펙트럼을 제어하는데 사용될 수 있다. 현재, 0.1 중량%로 분산될 때, 본 명세서에 개시된 QD의 바람직한 실시형태는 PL 파장에 따라 1cm 경로 길이에 걸쳐 입사광의 90% 내지 99%를 흡수한다. 이는 서로 다른 QD 쌍을 길이 -0.2cm 내지 0.5cm의 3개 내지 4개의 세그먼트로 결합하는 것만으로도 상당한 도파 손실 없이 청색/UV LED 광을 광대역 스펙트럼으로 변환시키기에 충분하다는 것을 의미한다. 원하는 광 소스에 대한 적절한 파라미터를 사용하면, QD의 단량체 용액을 준비한 다음 중공 코어 섬유 내부에서 중합시켜 신뢰성 있는 생성물을 생성할 수 있다. 대안적으로, 중합체의 QD는 광 섬유에 배치될 수 있다.

본 명세서에 기술된 QD가 광대역 조명 소스로서 사용될 수 있는지를 검증하기 위해 예비 테스트가 수행되었다. 550㎚에서 1230㎚ 범위에 이르는 다른 피크 PL 파장을 가진 12개의 QD가 선택되었다. 개별 정규화된 PL 스펙트럼은 500㎚에서 1500㎚에 이르는 전체 스펙트럼 범위에 걸쳐 있다. QD의 혼합물이 단일 큐벳(cuvette)에 배치되면 광대역 PL은 455-㎚ 섬유 결합된 LED를 사용하여 여기될 수 있다. 가시광 방출로 QD의 농도를 수정함으로써, 스펙트럼의 가시광 부분을 제어할 수 있다.

또한, 스펙트럼의 NIR 꼬리 부분(tail)은 또한 NIR-방출 QD의 농도를 수정함으로써 조작될 수 있다. 그러나 이는 또한 가시광 PL을 재흡수하는 데에 영향을 미쳐 전체 밝기가 다소 (일반적으로 약 15%만큼) 감소한다. QD의 혼합물을 갖는 큐벳은 청색 광 하에서 다소 황색으로 보인다. 이는 -500㎚의 PL 스펙트럼에서도 관찰되고, 이는 녹색 QD의 추가 최적화 필요성을 강조한다. 또한 스펙트럼은 약 900㎚ 내지 1000㎚에서 최대값을 갖고, 더 긴 파장에서 강하하는 것을 볼 수 있고, 이는 또한 더 밝은 1000㎚ 내지 1230㎚의 QD의 필요성을 강조한다. QD 용액이 현재 사용되는 광 소스를 대체하는 점적 대체품이 되기 위해서는 이것이 유사한 광학 스펙트럼을 출력해야 한다. 오션 옵틱스 HL-2000-HP-FHSA 할로겐 전구의 스펙트럼(제조업체로부터의 데이터)은 스펙트럼 간의 차이를 보여 주고, 일부 QD 파장을 더욱 최적화해야 할 필요성을 강조한다.

마지막으로, 청색 섬유 결합된 LED 여기 소스를 갖는 상이한 QD의 8개 바이알의 사진을 시험하였다. NIR 방출 QD는 여기 소스에 가까이 있는 반면, 가시광 방출 QD는 더 멀리 있다. LED로부터의 광은 IR QD를 함유하는 바이알에서만 부분적으로 흡수되는 반면, LED 여기 광의 일부는 가시광 QD에서 모든 바이알 및 여기 PL을 통해 투과된다. 이것은 QD를 직렬로 포함하는 광학 요소의 지능적인 디자인이 광대역 조명 스펙트럼을 생성하는 데 유용한 옵션임을 확인한다.

표적 광대역 스펙트럼(-500㎚ 내지 1600㎚)을 위한 QD 혼합물을 최적화하는 것이 바람직하다. 현재, 이전의 R&D 노력 덕분에 590㎚에서부터 1000㎚에 이르는 PL를 갖는 밝은 QD(QY>95%)가 존재한다. 최적화 동안 주된 비 복사성 재조합 경로가 제거되었으며 이러한 비효율성을 피하기 위해 QD가 성공적으로 설계되었다.

유사한 비 복사성 경로가 모든 파장에서 우세할 것으로 예상되므로, QD의 최적화 동안 이전에 배운 교훈은 다른 파장에도 직접 적용될 것으로 예상된다. 원소 화학량론, 합성 온도 및 성장 기간, 쉘 성장 전구체 등과 같은 높은 QY를 달성하기 위해 유해한 몇몇 파라미터가 연구되었다. 전체 조절 범위에서 가장 밝은 가능한 스펙트럼을 달성하기 위해 이러한 파라미터 중 일부 또는 전부를 각 파장에서 최적화해야 할 수 있다.

본 발명의 목표는 상대적으로 평탄한 광대역 NIR 스펙트럼을 달성하기 위해 QD 크기 및 조성의 최적의 조합을 결정하는 것이다. 이것은 QY>50% 상태에서 방출을 1300㎚로 이동하려는 집중된 노력을 포함한다. 1300㎚의 피크 위치에서, 방출 피크의 꼬리 부분은 조직 특성 분석을 응용하는데 필요할 수 있는 1600㎚의 상당한 광을 여전히 제공할 것으로 예상된다.

최소로 가능한 제품의 형태를 결정하기 위해 기존의 재료를 다양한 배열(모두 함께 혼합된 배열 대(vs) 세그먼트화된 배열)로 결합(소수의 크기/조성 대 다수)할 수 있다. 지금까지 예비 테스트에 따르면 방출 피크들 간의 거리가 약 50㎚ 내지 100㎚인 12개의 샘플이 부드러운 광대역 스펙트럼을 생성하기에 충분하다는 것을 보여주지만 소수의 결합된 재료로 유사한 결과를 얻을 수 있을 것으로 예상된다. QD 수를 최소화하면 장치가 단순화되고 재흡수 문제가 줄어든다. 따라서, 응용에서 연속 스펙트럼을 얻는 데 필요한 샘플의 최소 수를 연구하는 것이 일반적으로 중요하다.

QD를 광 섬유에 통합하기 위해, 몇몇 미지의 것이 일반적으로 해결될 필요가 있다. 개별 용액을 중공 코어 섬유에 통합하는 것에 더하여, 각각의 개별 QD의 최적의 농도가 결정될 필요가 있을 수 있다. 또한, 최대 밝기를 달성하기 위해 필요한 설계에 따라, 각각의 섬유 세그먼트의 최적의 길이 또는 QD 혼합물을 위한 섬유의 길이가 결정될 필요가 있을 수 있다. 초기에, 이 정보는 (적어도 부분적으로) QD의 용액을 사용하여 얻어질 수 있다. 그러나, 최종 최적화는 바람직하게는 실제 광 섬유에서 일어날 수 있을 것이다. 중공 코어 광학 섬유를 충전하기 위한 절차가 현재 이 기술 분야에 알려져 있지만, 추가적인 방법론이 개발될 필요가 있을 수 있다.

광대역 조명 소스의 작동 프로토타입은 본 명세서에 개시된 원리에 기초하여 구축될 수 있다. 이들 조명 소스의 밝기를 검사하고 기존 할로겐 전구와 비교할 수 있으며, 이들 광 소스의 밝기를 제한하는 팩터를 분리하여 개선할 수 있다. 충분히 밝은 광 소스가 설계되고 생성된 후, 조직 샘플을 특성 분석할 때 그 유용성이 입증될 수 있다. 모델 솔루션은 광 소스가 물과 지질 간을 구분할 수 있고 상대 농도를 결정할 수 있음을 보여주기 위해 사용될 수 있다.

본 발명은 STS와 같은 의료 진단 장비에 이용될 수 있는 광 소스를 제공한다. 바람직한 실시형태에서, 이는 섬유 광 케이블에 광학적으로 결합된 고전력 UV 또는 청색 LED에서 시작된다. 도 3의 개략도는 청색 광이 가시광 내지 NIR을 커버하기 위해 점진적으로 더 긴 파장에서 방출되는 QD를 함유하는 다양한 섬유 세그먼트를 여기시키는 경우를 도시한다. 청색/UV LED 광 소스는 도 3에 도시된 바와 같이 광 섬유의 단부에 광학적으로 결합되거나 또는 섬유의 길이를 따라 결합될 수 있다. 결과적인 스펙트럼은 의료 진단 시장의 관심 범위에 걸쳐 강렬하고 연속적일 수 있다. 본 명세서에 개시된 광 소스는 이 영역의 기존 기술에 비해 다음과 같은 다양한 장점을 제공할 수 있다. 이러한 장점은 다음 중 임의의 것을 포함할 수 있다.

소형화 및 저가: 이러한 구성 요소를 소형화하고 그 가격을 감소시키기 위한 노력으로, 기존 광 소스(할로겐 광 소스)는 쉽게 이용 가능한 LED 소스(UV 또는 청색)로 대체될 수 있다. 이 LED 소스는 QD 통합 광 섬유를 위한 여기 소스를 제공하는데 이용될 수 있다.

고전력 광대역 조명: 본 명세서에 개시된 QD를 함유하는 광 섬유는 청색 또는 UV 광에 의해 여기될 때 밝고 효율적인 광대역 조명을 제공할 수 있다. 개시된 QD는 높은 효율(이상적인 조건 하에서 95% 초과), 낮은 자가 흡수율, 및 관심 파장 범위에 걸친 조절 가능성과 같은 많은 유리한 광학 특성을 가질 수 있다. 이러한 특성은 고전력 LED 소스를 지능적으로 선택함과 함께 고휘도 조명을 생성할 수 있다.

스펙트럼 조절 가능성: 본 명세서에 개시된 바람직한 QD의 특성으로 인해, 맞춤형 광 출력이 가능할 수 있다. 스펙트럼 요구 사항은 응용에 특정된 것으로 예상되며, QD를 사용하면 QD 크기/조성, 농도 및 섬유 길이에 기초하여 쉽게 맞춤 스펙트럼 출력이 가능하다.

유연한 통합: 이러한 섬유 통합 광 소스는 통합 유연성의 장점을 갖는다(즉, 광 섬유 광 경로의 임의의 지점에서 통합될 수 있다). QD-함유 섬유는 LED 옆에 위치되거나 또는 광 섬유와 바늘 사이의 연결부에 위치될 수 있고, 또는 심지어 바늘 자체에 통합될 수 있다. 응용에 따라 제품의 규정이 상당히 다를 수 있지만 모든 시나리오가 고려된다.

도 1은 본 명세서의 교시에 따라 STS와 같은 의료 진단 장비에 이용될 수 있는 고전력 LED 광 소스(101)의 특정 비 제한적인 실시형태를 도시한다. 이 특정 실시형태에서 LED 광 소스(101)는 복수의 청색/UV LED(107)를 포함하는 LED 고정구(105) 및 광 섬유(109)를 포함한다. 광 섬유(109)는 발색단(b, c, d, e 및 f)의 혼합물이 제1 세그먼트(111)를 제조하는데 사용된 중합체 수지에 혼합되거나 배합된 제1 세그먼트(111), 및 발색단이 전혀 없는 제2 세그먼트(113)를 포함한다.

LED 광 소스(101)의 방출 스펙트럼(151)이 또한 도시되어 있으며, 광 섬유(109)의 제2 세그먼트(113)의 재료뿐만 아니라, 발색단(b, c, d, e 및 f)에 대응하는 방출 피크를 포함한다. 조명 고정구의 LED(107)("LED"로 표시됨)에 대응하는 피크가 또한 도시되어 있고, 누적 방출 스펙트럼(153)도 도시되어 있다.

동작 시에, LED 광 소스(101)는 가시광 내지 NIR을 커버하기 위해 점진적으로 더 긴 파장에서 방출되는 QD를 함유하는 다양한 섬유 세그먼트를 여기시킨다. LED 광 소스(101)는 도 3에 도시된 바와 같이 광 섬유의 단부에 광학적으로 결합되거나 또는 섬유의 길이를 따라 광학적으로 결합될 수 있다. 결과적인 스펙트럼은 의료 진단 시장의 관심 범위에 걸쳐 강렬하고 연속적일 수 있다. 밝고 콤팩트하며 광대역 조명을 제공하는 도시된 LED 광 소스(101)의 실시형태를 생성할 수 있다.

도 2는 본 명세서의 교시에 따라 STS와 같은 의료 진단 장비에 또한 이용될 수 있는 고전력 LED 광 소스(201)의 다른 특정한 비 제한적인 실시형태를 도시한다. 이 특정 실시형태에서 LED 광 소스(201)는 복수의 청색/UV LED(207)를 포함하는 LED 고정구(205) 및 광 섬유(209)를 포함한다. 광 섬유(209)는 발색단(a, b, c, d, e 및 f)이 제1 세그먼트(211)를 제조하기 위해 사용된 중합체 수지에 각각 혼합되거나 배합된 서브 세그먼트(a, b, c, d, e 및 f)를 갖는 제1 세그먼트(211)를 포함한다. 광 섬유(209)는 발색단이 전혀 없는 제2 세그먼트(213)를 더 포함한다. LED 광 소스(201)는 도 1의 LED 광 소스(101)에 의해 제공되는 것과 동일하거나 유사한 장점을 제공하도록 구성될 수 있고, 동일하거나 유사한 방출 스펙트럼(251)을 가질 수 있다.

도 3은 본 명세서의 교시에 따라 STS와 같은 의료 진단 장비에 또한 이용될 수 있는 고전력 LED 광 소스(301)의 다른 특정 비 제한적인 실시형태를 도시한다. 이 특정 실시형태에서 LED 광 소스(301)는 청색/UV LED 고정구(305) 및 광 섬유(309)를 포함한다. 이 실시형태에서 LED 고정구(305)는 광 섬유(309)에 직접 결합된다.

광 섬유(309)는 발색단(b, c, d, e 및 f)이 제1 세그먼트(311)를 제조하기 위해 사용된 중합체 수지에 각각 혼합되거나 배합된 서브 세그먼트(b, c, d, e 및 f)를 갖는 제1 세그먼트(311)를 포함한다. 광 섬유(309)는 발색단이 전혀 없는 제2 세그먼트(313)를 더 포함한다. LED 광 소스(301)는 도 2의 LED 광 소스(201)에 의해 제공되는 것과 동일하거나 유사한 장점을 제공하도록 구성될 수 있고 동일하거나 유사한 방출 스펙트럼(351)을 가질 수 있다.

도 4는 본 명세서에 설명된 시스템 및 방법론에서 이용될 수 있는 STS 광학 셋업(401)의 특정 비 제한적인 실시형태를 도시한다. 이 광학 셋업은 전체 내용이 본 명세서에 병합된, 문헌(Nachabe, R.; Hendriks, B.H.W.; van der Voort, M.; Desjardins, A.E.; Sterenborg, H.J.C.M. Estimation of Biological Chromophores using Diffuse Optical Spectroscopy: Benefit of Extending the UV-VIS Wavelength Range to Include 1000 to 1600 ㎚. Opt. Expr. 2010, 18, 1432-1442)에 설명된 셋업에 기초한다.

STS 광학 셋업(401)은 광 소스(405)(바람직하게는 할로겐 램프), 가시광 분광계(407) 및 적외선 분광계(409)를 포함하며, 이들 모두는 컴퓨터(403)의 제어 하에 있다. STS 광학 셋업(401)은 광학 프로브(411)를 더 포함한다. 확대된 구역(413)에서 볼 수 있듯이, 광 프로브(411)(및 구체적으로, 그 팁)는 광 소스(405)와 광 통신하는 조명 섬유(415), 가시광 분광계(407)와 광 통신하는 가시광 검출 섬유(419), 및 적외선 분광계(409)와 광 통신하는 IR 검출 섬유(417)를 구비한다.

도 5 내지 도 6은 통합 액체 코어 광 섬유(LCOF) 및 자극된 라만 생성을 특징으로 하는 조립체(601)의 특정 비 제한적인 실시형태 및 이를 제조하는 공정을 도시한다. 이 공정 및 조립은 전체 내용이 본 명세서에 병합된 문헌(Kieu, K.; Schneebeli, L.; Norwood, R.A.; Peyghambarian, N. Integrated Liquid-Core Optical Fibers for Ultra-Efficient Nonlinear Liquid Photonics. Opt. Expr. 2012, 20, 8148-8154)에 설명된 것에 기초한다. 단일 모드 섬유(코닝 SMF28)와 10㎛ 액체 코어 광 섬유(LCOF) 사이의 갭-접합부의 이미지가 도 5a에 도시되어 있다. 단일 모드 섬유(코닝 SMF28 섬유)의 2개의 세그먼트 사이의 갭-접합부의 사진이 도 5b에 도시되어 있다.

도 6c는 조립체(601)에 통합하기 위한 액체 접근 포트를 갖는 광학 서브 조립체(611)의 제조를 도시한다. 여기에 도시된 바와 같이, 광학 서브 조립체(611)는 갭 접합부(605)를 가로질러 결합된 LCOF(608)(여기서는 10㎛ 코어를 가짐)와 표준 단일 모드 섬유(609)(여기서는 코닝 SMF28)를 포함한다. LCOF(608)와 표준 단일 모드 섬유(609) 각각은 접착 테이프(607)의 일부를 갖는 현미경 슬라이드(603) 상에 장착된다. 액체 접근은 용기(613)에 배치된 액체 매체를 통해 제공된다. 다양한 액체 매체가 이러한 목적으로 이용될 수 있지만, CS2를 사용하는 것이 바람직하다. 도 6e는 유사한 공정에 의해 생성된 CS2로 채워진 통합 LCOF(608)의 조립체를 도시한다. CS2로 채워진 통합된 1m 길이의 LCOF의 사진이 도 5d에 도시되어 있다.

도 6f에 도시된 바와 같이, 전술한 방법에 의해 생성된 조립체(601)는 레이저(617), 이색(또는 IR) 필터(619), 편광 빔 스플리터(PBS)(621), 포토다이오드(PD)(625), 금 코팅 미러(623), 현미경 대물렌즈(MO)(627), 및 광학 스펙트럼 분석기(OSA)(629)를 포함한다. 조립체(601)는 상기 언급된 LCOF(608) 및 표준 단일 모드 섬유(609) 부분을 더 포함한다.

도 7은 상이한 농도로 QD를 혼합함으로써 달성될 수 있는 결과를 도시한다. 도시된 결과는 이러한 방식으로 제조된 3개의 상이한 QD 혼합물에 대한 것이다. 여기에 도시된 방출 스펙트럼의 변화로부터 볼 수 있듯이, 이 접근법은 조절 가능한 광대역 스펙트럼을 생성하는데 이용될 수 있다.

도 8은 오션 옵틱스 HL-2000-HP-FHSA 텅스텐 할로겐 광 소스의 (제조업체로부터 획득된) 스펙트럼을 도시한다. 여기서 볼 수 있듯이, 이 광 소스는 광 소스가 고전력 소스로 구성되었는지, 표준 소스로 구성되었는지 또는 장수명 소스로 구성되었는지에 따라 다양한 출력 스펙트럼을 생성한다.

도 9는 본 명세서에 개시된 장치 및 방법론에서 바람직한 형광단인 CuInZnSeS 양자점에 대한 전형적인 흡수 스펙트럼(901) 및 광 발광 스펙트럼(903)이다. 이 QD는 실질적으로 독성 성분이 없으며 비 발암성인 것으로 여겨진다. 또한, 이 QD는 70% 초과, 또는 90% 초과의 방출 양자 수율을 가질 수 있고, 400㎚ 미만의 파장에서 최대 세기를 갖는 흡수 스펙트럼을 가질 수 있다.

도 9에서 볼 수 있듯이, CuInZnSeS 양자점은 흡수 스펙트럼(901)과 광 발광 피크(903) 사이에 최소 중첩(902)을 갖도록 이루어질 수 있다. 그 결과, 형광의 결과로서 이들 양자점에 의해 방출된 복사선은 이후 거의 재 흡수되지 않는다. 또한, CuInZnSeS 양자점은 (일반적으로 UV 영역 내) 가시광 영역의 외부에 흡수 피크를 갖고 그 내에 방출 스펙트럼을 갖게 제조될 수 있다. 그 결과, 이 양자점이 받는 광 발광 공정은 입사 UV 또는 청색 복사선 부분을 가시광-NTR 파장으로 변환시키는 효과를 갖고, 이에 따라 의료 분야에 이상적이게 한다.

도 10은 CuInS₂, CuInSe₂, ZnS, ZnSe 및 이들의 조합으로 구성된 양자점의 상이한 크기 및 조성으로부터 발생하는 광 발광 스펙트럼의 그래프이다. 여기에 도시된 바와 같이, 이들 물질은 400㎚ 내지 1200㎚ 범위에서 접근 가능한 피크 방출을 제공한다.

도 11은 프로토타입 섬유와 결합된 광 소스로부터 발생하는 광 발광 스펙트럼의 그래프이다. 이러한 스펙트럼을 생성하는 데 사용되는 프로토타입에는 단 하나의 크기의 QD만이 사용된다. 프로토타입에 부착된 광 섬유는 Thorlabs SMA 광 섬유 어댑터에 연결된다. 장치의 출력은 단시간(1.5ms) 통합 시간에 광 섬유 결합 분광계를 사용하여 측정된다. 청색 LED에 의해 여기된 장치의 사진은 Thorlabs 섬유 어댑터의 단부에 밝은 적색 점을 나타내어 커플링을 확인하였다. 작은 ChanZon LED에 의해 여기된 장치의 사진은 QD로부터 섬유로 커플링한 후 섬유 어댑터로부터 밝은 적색 광이 나오는 것을 보여주었다.

도 12는 생물학적 완충액에서 소의 헤모글로빈을 포함하는 샘플을 통해 전파된 후 590-㎚ QD의 광대역 PL을 보여주는 그래프이다. 여기서 볼 수 있듯이, 590-㎚ QD의 광대역 PL은 샘플을 통해 전파될 때 상당히 변경된다. 이러한 스펙트럼을 분석하여 깊이 및 농도 정보를 추출할 수 있다.

본 명세서에 개시된 장치, 구조 및 방법론에 이용되는 재료의 광 발광 스펙트럼은 발광 재료 및/또는 이 발광 재료의 치수를 적절히 선택하는 것을 통해 원하는 대로 수정되거나 맞춰질 수 있다. 예를 들어, 도 10은 400㎚ 내지 1200㎚의 스펙트럼 범위에 걸친 이 양자점의 많은 상이한 방출 파장을 나타내는 CuInZnSeS 양자점의 상이한 크기 및 조성으로부터 발생하는 광 발광의 그래프이다. 양자점의 상이한 조합을 혼합함으로써, 스펙트럼의 형상은 이상적인 스펙트럼으로 용이하게 수정되고 맞춰질 수 있다. 피크의 수, 골의 수, 스펙트럼의 기울기 및 다른 시그니처를 포함하는 스펙트럼의 형상은 선택된 양자점의 크기 및 조성에 기초하여 맞춰질 수 있다. QD 혼합물은 50% 초과하는 방출 양자 수율을 갖는다. 이 접근법은 특정 응용에 가장 도움이 되는 스펙트럼 출력을 달성하기 위해 이용될 수 있는 것으로 이해된다.

다양한 발광 물질이 본 명세서에 개시된 장치, 구조 및 방법론에 이용될 수 있다. 앞서 언급한 바와 같이, 이러한 물질의 한 종류는 일반적으로 양자점(QD)으로 알려진 콜로이드성 반도체 나노 결정이다. 이들 재료는 다양한 크기-조절 가능한 광학 특성(크기-조절 가능한 광 발광을 포함함)을 제공하고, 액체로부터 저렴하게 처리될 수 있다는 점에서 유리하다. QD는 광범위한 스펙트럼의 광을 흡수한 다음 그 에너지를 그 크기에 따라 결정되는 단일 색상의 방출된 광으로 변환하는 데 매우 효과적이다. 광학 특성(예를 들어, 흡수 및 방출 스펙트럼, PL 수명 및 스토크스 이동)은 상이한 크기, 형상, 조성 및/또는 이종 구조화를 실현하기 위해 제조 조건을 맞춤으로써 이들 재료에 프로그래밍될 수 있다.

대안적인 (간략화된) 접근법을 사용하여 광대역 광 소스의 프로토타입을 구축하기 위해 집중적인 노력이 이루어졌다(도 11 참조). 특히, 가시광 QD는 발광 태양광 집광기(LSC)의 소형 버전인 소형(1x1x0.1cm) 중합체 조각에 통합되었다. 광 섬유는 또한 동일한 중합체에 통합되었으며, 하나의 면을 제외한 LSC의 모든 면은 광이 광 섬유에 결합되는 것을 개선하기 위해 반사 페인트로 덮였다. QD는 작은 청색 LED(ChanZon 10DGL-DZ-3W-BL로 상업적으로 이용 가능함)에 의해 여기되었다. LSC에서 집광된 PL은 광 섬유에 결합되고 Thorlabs SMA 광 섬유 어댑터에 연결된 다른 단부로 전달되었다. 장치의 출력은 짧은 (1.5ms) 통합 시간에 섬유 결합 분광계를 사용하여 측정되었다. LSC가 규칙적인 청색 손전등(왼쪽)에 의해 여기되었을 때뿐만 아니라 청색 LED(오른쪽)를 사용할 때 모두 섬유로부터 밝은 방출이 눈으로 쉽게 관찰되었다. 이 간단한 프로토타입은 고유한 조절 가능한 광 소스를 보여준다. 여러 개의 작은 LSC를 개별 색상 QD와 결합하고 이들 각각에 대한 여기 전력을 독립적으로 제어할 수 있게 함으로써 소형 (여전히 유연성이 높은) 광대역 광 소스가 생성될 수 있다. 예를 들어, 출력 스펙트럼은 1000㎚ 내지 1100㎚ 부근의 Si 검출기의 감도 저하를 보상하기 위해 쉽게 수정될 수 있다.

단일 구별된 유형의 CuInSe_xS₂ _-x/ZnS QD의 PL 스펙트럼으로도 일부 생물학적 종의 시그니처를 볼 수 있을 만큼 충분히 넓다는 것을 확인하기 위해 ~590-㎚ 피크를 갖는 단일 크기 QD의 PL을 사용하였다. 구체적으로, (도 12 참조), 소의 헤모글로빈의 뚜렷한 흡수 피크는 샘플(생물학적 관련 완충제, PBS에서 소의 헤모글로빈의 액체 용액)을 통해 전파될 때 QD PL의 스펙트럼 형태 및 세기에 영향을 미치는 것으로 밝혀졌다. 도 12의 화살표는 조직의 두께를 증가시키기 위한 좋은 프록시인 소의 헤모글로빈의 농도가 증가하는 것을 나타낸다.

도 13은 본 명세서의 교시에 따른 광학 분광 이미징 장치의 특정 비 제한적인 실시형태를 도시한다. 확산 광학 분광 이미징(Diffuse Optical Spectroscopic Imaging: DOSI)은 조직의 흡수 및 산란 계수를 최대 수 센티미터 깊이까지 정량화할 수 있는 비 침습적 광학 진단 기술이다. 이들 광학 특성을 측정함으로써, 표적 조직에 대한 정량적 및 정성적 정보를 확인할 수 있다. DOSI는 기본 분광 이론, 보다 구체적으로, 대략 800㎚ 내지 2500㎚ 근적외선(NIR)에 이르는 전자기 스펙트럼 영역의 광학 분광법에 기초한다. DOSI는 표적 조직을 근적외선으로 조사하고 방출된 광자를 검출함으로써 작동한다. 그런 다음, 생체 조직에서 다중 광자 산란 및 확산을 예측하기 위해 수정된 비어-램버트 법칙(Beer-Lambert Law)에 기초한 일련의 수학적 광자 수송 모델을 통해 방출이 분석된다. 이로부터, 예를 들어 흑색종과 같은 상태를 진단하는데 이용될 수 있는 조직 옥시메트리와 같은 다양한 유용한 정보를 도출할 수 있다.

도 14에서 볼 수 있는 바와 같이, 전형적인 DOSI 기기는 조절 가능한 NIR 레이저 광 소스(1103) 및 이 광 소스(1103)로부터 상이한 거리에 배치된 다양한 광자 검출기(1105, 1106)를 구비한 프로브(1101)로 구성된다. 광 소스(1103)는 본 명세서에 개시된 유형일 수 있다. 광 소스(1103)로부터의 레이저 광이 관심 영역으로 들어갈 때, 광은 조직(1107)을 통해 "바나나" 형태의 방식으로 산란 및 확산되기 시작한다. 이 "바나나" 형상의 광 확산 경로로 인해 소스에 가장 가까운 검출기가 (피하 조직(1109)과 같은) 조직의 표면 부분을 분석하는 한편, 가장 멀리 있는 검출기가 (골격근(1111)과 같은) 더 깊은 부분을 조사할 수 있는 이유가 된다. 검출기가 떨어져 있는 정도에 대한 제한은 있다.

DOSI는 표적 조직 내의 모든 발색단이 자신의 고유하고 특정한 파장에서 대부분의 광을 흡수하는 원리로 작동한다. 이것은 도 13에 도시된 장치로 얻을 수 있는 상이한 파장(NIR을 포함함)에서 다양한 발색단의 흡수 스펙트럼의 일례인 도 14에서 볼 수 있다. 예를 들어, 물이 NIR 광을 흡수하는 것은 980㎚ 범위 주위에서 가장 높다. 특히, 산소화 및 탈산소화 헤모글로빈은 극적으로 상이한 흡수 프로파일을 가져서, 서로 구별하기가 비교적 쉽다. DOSI 연구 동안 조직-광자 상호 작용을 측정함으로써, 발색단 함량 및 조성물을 개별적으로 분리하고 분석하여 예를 들어 양성 병변과 악성 흑색종 간의 차이를 결정할 수 있다.

5. 추가 설명

파라미터의 다양한 변형, 치환, 조합 및 범위가 본 명세서에 기재된 조성물, 장치 및 방법론에서 만들어지거나 이용될 수 있다.

예를 들어, 일부 실시형태에서, 발광 물질의 광 발광은 400㎚ 내지 2000㎚ 범위, 더욱 바람직하게는 550㎚ 내지 1700㎚의 범위, 가장 바람직하게는 550㎚ 내지 750㎚의 범위에서 최대 세기를 가질 수 있다. 일부 실시형태에서, 형광단은 1㎚ 초과, 20㎚ 초과, 30㎚ 초과, 40㎚ 초과, 100㎚ 초과, 또는 200㎚ 초과하는 최대 세기에서 전폭을 갖는 광의 스펙트럼을 방출할 수 있다. 다른 실시형태에서, 발광 물질의 광 발광은 550㎚ 초과의 파장에서 최대 세기를 가질 수 있다.

일부 실시형태에서, 발광 물질의 광 발광은 적어도 30%, 적어도 50%, 적어도 70% 또는 적어도 80%의 양자 수율을 특징으로 할 수 있다.

다양한 광학 요소가 본 명세서에 기술된 장치 및 방법론의 광학 경로에 이용될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시형태에서, 스펙트럼 선택 광학 요소는 조사된 물품과 입사 태양광 사이의 광학 경로에 배치될 수 있다. 이러한 광학 요소는, 예를 들어, 광 필터, 양자점 필름 및 유색 유리로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 요소를 포함할 수 있다. 이러한 유형의 스펙트럼 선택 광학 요소는 스펙트럼의 주어진 부분만이 통과하도록 허용할 수 있다.

다양한 조성물의 QD 및 형광단이 본 명세서에 개시된 시스템 및 방법론에 이용될 수 있다. 이들 조성물 중 일부는 상기에 언급되어 있다. 본 명세서에 기술된 시스템 및 방법론의 일부 실시형태에서, CuInS₂, CuInSe₂, AgInS₂, AgInSe₂, ZnS, ZnSe, CuInZnSeS, CuGaS₂ 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택된 조성물을 갖는 QD 및 형광단이 이용될 수 있다. 그러나, 본 명세서에 개시된 시스템 및 방법론의 많은 실시형태에서, CuInSe_xS_2-x/ZnS 조성을 갖는 QD 및 형광단을 사용하는 것이 바람직하다.

일부 실시형태에서, 2개 이상의 구별된 유형의 양자점이 본 명세서에 기술된 시스템, 방법론 및 조성물에 이용될 수 있다. 이들 양자점은 조성물이 구별될 수 있다. 예를 들어, 본 명세서에서 이용되는 발광 물질은 제1 화학물질에 기초한 제1 유형의 양자점, 및 제1 화학물질과 구별되는 제2 화학물질에 기초한 제2 유형의 양자점을 포함할 수 있다. 따라서, 예를 들어, 제1 유형의 양자점은 예를 들어 CuInS₂를 포함할 수 있는 반면, 제2 유형의 양자점은 AgInSe₂를 포함할 수 있다. 유사하게, 본 명세서에 기술된 발광 재료는 양자점의 제1 세트의 치수(또는 치수의 분포)에 기초하여 제1 유형의 양자점을 포함할 수 있고, 양자점의 제1 세트의 치수(또는 치수의 분포)와 구별되는 양자점의 제2 세트의 치수(또는 치수의 분포)에 기초한 제2 유형의 양자점을 포함한다. 따라서, 예를 들어, 제1 유형의 양자점은 일반적으로 제1 직경(예를 들어, 10㎚)을 갖는 구형 양자점을 포함할 수 있고, 제2 유형의 양자점은 일반적으로 제2 직경(예를 들어, 30㎚)을 갖는 구형 양자점을 포함할 수 있다.

본 명세서에 개시된 장치, 구조 및 방법론은 본 명세서에서 자주 일반적으로 의료 응용 분야, 특히 확산 광학 분광기에 사용하는 것과 관련하여 설명되었다. 그러나, 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면, 이러한 장치, 구조 및 방법론이 예를 들어 일반적인 조명 응용을 포함하여 다양한 다른 응용에도 사용될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

본 발명의 상기 설명은 예시적인 것일 뿐, 본 발명을 제한하려고 의도된 것이 아니다. 따라서, 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 전술한 실시형태에 다양한 추가, 대체 및 수정이 이루어질 수 있는 것으로 이해된다. 따라서, 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위를 참조하여 해석되어야 한다.

더욱이, 첨부된 청구범위에 기술된 특징은 구체적으로 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 다른 조합 또는 하위 조합으로 배열될 수 있는 것으로 고려된다. 예를 들어, 2개 이상의 청구항에 제시된 특징은 이 특징의 조합이 첨부된 청구범위 또는 명세서의 다른 곳에 명시적으로 개시되어 있는지에 상관 없이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 단일 청구항으로 결합될 수 있는 것으로 고려된다.

Claims

광학 요소로서,
광 섬유; 및
상기 광 섬유와 광 통신하는 복수의 형광단(fluorophore)을 포함하되;
상기 형광단은 50% 초과의 양자 수율을 갖고, 상기 형광단은 400㎚ 내지 2000㎚ 범위의 파장에서 최대 세기를 갖는 광의 스펙트럼을 방출하는, 광학 요소.
제1항에 있어서, 상기 형광단은 550㎚ 초과의 파장에서 최대 세기를 갖는 광의 스펙트럼을 방출하는, 광학 요소.
제1항에 있어서, 상기 광학 요소는 550㎚ 내지 1700㎚ 범위의 파장에서 50% 초과의 평균 투명도를 갖는, 광학 요소.
제1항에 있어서, 상기 형광단은 양자점(quantum dot)인, 광학 요소.
제1항에 있어서, 상기 형광단은 CuInS₂, CuInSe₂, AgInS₂, AgInSe₂, ZnS, ZnSe 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택된 물질을 포함하는 양자점인, 광학 요소.
제1항에 있어서, 상기 광 섬유는 코어 및 클래딩(cladding)을 갖고, 상기 코어는 상기 형광단이 내부에 배치된 매체를 포함하고, 상기 매체는 액체 용액 및 중합체로 이루어진 그룹으로부터 선택된, 광학 요소.
제1항에 있어서, 상기 광 섬유는 코어 및 클래딩을 갖고, 상기 광 섬유는 상기 형광단이 내부에 배치된 매체를 포함하는 요소에 부착된, 광학 요소.
제1항에 있어서,
상기 광 섬유의 단부에 배치되고 상기 광 섬유와 광 통신하는 적어도 하나의 청색 또는 UV LED 광학 요소를 더 포함하는, 광학 요소.
제1항에 있어서,
상기 광 섬유의 일부를 따라 배치되고 상기 광 섬유와 광 통신하는 적어도 하나의 청색 또는 UV LED 광학 요소를 더 포함하는, 광학 요소.
제1항에 있어서, 분광계와 조합된, 광학 요소.
제1항에 있어서, 형광단은 상기 광 소스로부터 들어오는 광을 5% 미만으로 산란시키는, 광학 요소.
제1항에 있어서, 상기 복수의 형광단은 제1 복수의 제1 형광단 및 제2 복수의 제2 형광단을 포함하고, 상기 제1 형광단과 상기 제2 형광단은 구별되고, 그리고 상기 제1 및 상기 제2 복수의 형광단은 상기 광 섬유에 부착된 상기 매체 내에서 균질하게 혼합되는, 광학 요소.
제1항에 있어서, 상기 광학 요소는 광 소스와 조합되고, 상기 복수의 형광단은 형광단(F = Fi, ..., F_n)(n ≥ 2)의 세트를 포함하고, 각각의 형광단(Fi)(i ε [1, ...,
])은 파장(fa)(λι > ... > λ_n)에서 최대 세기를 특징으로 하는 방출 스펙트럼을 갖고, 상기 복수의 형광단은 상기 광 섬유 내에 배열되어 구배를 형성하는, 광학 요소.
제1항에 있어서, 상기 광학 요소는 광 소스와 조합되고, 상기 복수의 형광단은 형광단(F = Fi, ..., F_n)(n ≥ 2)의 세트를 포함하고, 각각의 형광단(Fi)(i ε [1, ...,
])은 파장(fa)(λι > ... > λ_n)에서 최대 세기를 특징으로 하는 방출 스펙트럼을 갖고, 상기 복수의 형광단은 상기 광 섬유에 부착된 매체 내에 배열되고, 상기 광 섬유는 공통 출력 광 섬유에 연결된, 광학 요소.
제1항에 있어서, 출력 스펙트럼은 조명 세기를 검출 시스템의 감도 프로파일과 매칭시킴으로써 전체 스펙트럼 범위에 걸쳐 신호 대 잡음을 최적화하도록 조작된, 광학 요소.
제1항에 있어서, 출력 스펙트럼은 상기 조직의 흡수 프로파일을 매칭시킴으로써 전체 스펙트럼 범위에 걸쳐 신호 대 잡음을 최적화하도록 조작된, 광학 요소.
제1항에 있어서, 상기 형광단은 적어도 50㎚의 스토크스 이동(Stokes shift)을 갖는, 광학 요소.
제1항에 있어서, 상기 광 섬유는 복수의 교환 가능한 세그먼트로 분할되는, 광학 요소.
제1항에 있어서, 상기 복수의 형광단은 상기 광 섬유 내부에 배치되는, 광학 요소.
제1항에 있어서, 상기 복수의 형광단은 상기 광 섬유에 인접하여 배치되는, 광학 요소.
제1항에 있어서, 상기 형광단은 40㎚ 초과의 최대 세기에서 전폭을 갖는 광의 스펙트럼을 방출하는, 광학 요소.
개체에 대해 스펙트럼 조직 감지(STS) 분석을 수행하는 방법으로서,
전자기 복사선의 입력 소스 및 광학 요소를 포함하는 기기를 제공하는 단계로서, 상기 광학 요소는 광 섬유 및 상기 광 섬유 내에 배치된 복수의 형광단을 포함하고, 상기 형광단은 50% 초과의 양자 수율을 갖고, 상기 형광단은 400㎚ 내지 2000㎚ 범위의 파장에서 최대 세기를 갖는 광의 스펙트럼을 방출하고, 상기 형광단은 40㎚ 초과의 최대 세기에서 전폭을 갖는 광의 스펙트럼을 방출하는, 상기 기기를 제공하는 단계;
상기 광학 요소를 포함하는 광 경로를 따라 상기 입력 소스로부터 전자기 복사선을 지향시킴으로써 전자기 복사선의 출력 소스를 생성하는 단계;
상기 출력 소스로부터 전자기 복사선으로 조직의 일부를 조사하는 단계; 및
조사된 조직에 대해 STS 분석을 수행하는 단계를 포함하는, 개체에 대해 스펙트럼 조직 감지 분석을 수행하는 방법.
제22항에 있어서,
검출 시스템에서 상기 조사된 조직으로부터 전자기 복사선을 수신하는 단계를 더 포함하고; 상기 검출 시스템은 관련된 감도 프로파일을 갖고, 상기 출력 소스의 출력 스펙트럼은 상기 출력 스펙트럼의 조명 세기를 상기 검출 시스템의 감도 프로파일에 매칭시킴으로써 상기 출력 스펙트럼에 걸쳐 신호 대 잡음비를 최적화하도록 조작된, 개체에 대해 스펙트럼 조직 감지 분석을 수행하는 방법.
제22항에 있어서,
검출 시스템에서 상기 조사된 조직으로부터 전자기 복사선을 수신하는 단계를 더 포함하고; 상기 검출 시스템은 관련된 감도 프로파일을 갖고, 상기 출력 소스의 출력 스펙트럼은 상기 조직의 흡수 프로파일을 상기 검출 시스템의 감도 프로파일과 매칭시킴으로써 상기 출력 스펙트럼에 걸쳐 신호 대 잡음비를 최적화하도록 조작된, 개체에 대해 스펙트럼 조직 감지 분석을 수행하는 방법.
제22항에 있어서, 상기 조직의 일부가 개체의 신체 내에 있는 동안 조사되는, 개체에 대해 스펙트럼 조직 감지 분석을 수행하는 방법.
제22항에 있어서, 상기 조직의 일부가 개체의 신체로부터 제거된 후에 조사되는, 개체에 대해 스펙트럼 조직 감지 분석을 수행하는 방법.
제22항에 있어서, 상기 형광단은 550㎚ 초과의 파장에서 최대 세기를 갖는 광의 스펙트럼을 방출하는, 개체에 대해 스펙트럼 조직 감지 분석을 수행하는 방법.
제22항에 있어서, 상기 광학 요소는 550㎚ 내지 1700㎚ 범위의 파장에서 50% 초과의 평균 투명도를 갖는, 개체에 대해 스펙트럼 조직 감지 분석을 수행하는 방법.
제22항에 있어서, 상기 형광단은 양자점인, 개체에 대해 스펙트럼 조직 감지 분석을 수행하는 방법.
제22항에 있어서, 상기 형광단은 CuInS₂, CuInSe₂, AgInS₂, AgInSe₂, ZnS, ZnSe 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택된 물질을 포함하는 양자점인, 개체에 대해 스펙트럼 조직 감지 분석을 수행하는 방법.
제22항에 있어서, 상기 광 섬유는 코어 및 클래딩을 갖고, 상기 코어는 상기 형광단이 내부에 배치된 매체를 포함하고, 상기 매체는 액체 용액 및 중합체로 이루어진 군으로부터 선택되는, 개체에 대해 스펙트럼 조직 감지 분석을 수행하는 방법.
제31항에 있어서, 상기 클래딩은 유리를 포함하는, 개체에 대해 스펙트럼 조직 감지 분석을 수행하는 방법.
제22항에 있어서, 상기 기기는,
상기 광 섬유의 단부에 배치되고 상기 광 섬유와 광 통신하는 적어도 하나의 청색 또는 UV LED 광학 요소를 더 포함하는, 개체에 대해 스펙트럼 조직 감지 분석을 수행하는 방법.
제22항에 있어서, 상기 기기는,
상기 광 섬유의 일부를 따라 배치되고 상기 광 섬유와 광 통신하는 적어도 하나의 청색 또는 UV LED 광학 요소를 더 포함하는, 개체에 대해 스펙트럼 조직 감지 분석을 수행하는 방법.
제22항에 있어서, 상기 기기는 분광계와 조합하여 사용되는, 개체에 대해 스펙트럼 조직 감지 분석을 수행하는 방법.
제22항에 있어서, 상기 형광단은 액체 매체에 분산된, 개체에 대해 스펙트럼 조직 감지 분석을 수행하는 방법.
제22항에 있어서, 상기 형광단은 중합된 매체에 분산된, 개체에 대해 스펙트럼 조직 감지 분석을 수행하는 방법.
제22항에 있어서, 형광단은 상기 광 소스로부터 들어오는 광을 5% 미만으로 산란시키는, 개체에 대해 스펙트럼 조직 감지 분석을 수행하는 방법.
제22항에 있어서, 상기 복수의 형광단은 제1 복수의 제1 형광단 및 제2 복수의 제2 형광단을 포함하고, 상기 제1 형광단과 상기 제2 형광단은 구별되고, 상기 제1 및 제2 복수의 형광단은 상기 광 섬유 내에서 균질하게 혼합된, 개체에 대해 스펙트럼 조직 감지 분석을 수행하는 방법.
제22항에 있어서, 상기 기기는 광 소스와 조합하여 이용되고, 상기 복수의 형광단은 형광단(F = Fi, ..., F_n)(n ≥ 2)의 세트를 포함하고, 각각의 형광단(Fi) (iε[1, ...,
])은 파장(fa)(λι > ... > λ_η)에서 최대 세기를 특징으로 하는 방출 스펙트럼을 갖고, 상기 복수의 형광단은 상기 광 섬유 내에 배열되어 구배를 형성하는, 개체에 대해 스펙트럼 조직 감지 분석을 수행하는 방법.
제40항에 있어서, 상기 복수의 형광단의 구배는 형광단(F = Fi, ..., F_n)이 상기 광 소스(di, ..., d_n)(di < ... < d_n)로부터의 각 거리에서 최대 농도를 갖도록 이루어지는, 개체에 대해 스펙트럼 조직 감지 분석을 수행하는 방법
제22항에 있어서, 상기 방출 프로파일은 800㎚ 내지 1200㎚의 범위에 걸쳐 연속적인, 개체에 대해 스펙트럼 조직 감지 분석을 수행하는 방법.
제22항에 있어서, 상기 복수의 형광단의 방출 스펙트럼은 파장 범위(S_min)에 걸쳐 2% 미만이고, S_mm은 파장의 세트(S = [400㎚, 2000㎚])의 서브세트인, 개체에 대해 스펙트럼 조직 감지 분석을 수행하는 방법.
제22항에 있어서, 상기 전자기 복사선의 상기 입력 소스는 복수의 LED 광학 요소를 더 포함하는, 개체에 대해 스펙트럼 조직 감지 분석을 수행하는 방법.
제22항에 있어서, 출력 스펙트럼은 조명 세기를 검출 시스템의 감도 프로파일과 매칭시킴으로써 전체 스펙트럼 범위에 걸쳐 신호 대 잡음을 최적화하도록 조작된, 개체에 대해 스펙트럼 조직 감지 분석을 수행하는 방법.
제22항에 있어서, 출력 스펙트럼은 상기 조직의 흡수 프로파일을 매칭시킴으로써 전체 스펙트럼 범위에 걸쳐 신호 대 잡음을 최적화하도록 조작된, 개체에 대해 스펙트럼 조직 감지 분석을 수행하는 방법.
제221항에 있어서, 상기 형광단은 적어도 50㎚의 스토크스 이동을 갖는, 개체에 대해 스펙트럼 조직 감지 분석을 수행하는 방법.
제22항에 있어서, 상기 광 섬유는 복수의 교환 가능한 세그먼트로 분할되는, 개체에 대해 스펙트럼 조직 감지 분석을 수행하는 방법.