KR20210041006A - 호흡 샘플을 사용하여 휘발성 유기 화합물(vocs)의 신속한 검출 및 정량화 기술 - Google Patents

호흡 샘플을 사용하여 휘발성 유기 화합물(vocs)의 신속한 검출 및 정량화 기술 Download PDF

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존 레드몬드
팀 윙
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유니버시티 오브 노스 텍사스
인스펙티어 시스템즈, 엘엘씨
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Abstract

예시적인 호흡 분석 시스템은 분자 수집기를 배치한 샘플링 챔버를 포함할 수 있다. 분자 검출기는 샘플링 챔버에 도입된 호흡 샘플에 존재하는 휘발성 유기 화합물(VOC)이 분자 수집기에 부착되도록 구성될 수 있다. 가열 요소는 샘플링 챔버 내에 열을 도입하여, 분자 수집기에 부착된 VOC의 적어도 일부를 방출할 수 있다. 분석 장치(예를 들어, 질량 분광계 또는 테트라헤르츠(THz) 분광계)는 분자 수집기로부터 방출된 VOC의 적어도 일부 중에서 하나 이상의 타겟 VOC를 식별하고, 식별된 하나 이상의 타겟 VOC를 나타내는 출력을 생성할 수 있다. 출력은 호흡 샘플의 소스에 대한 하나 이상의 타겟 VOC의 농도를 정량화하는 정보를 포함할 수 있다.

Description

호흡 샘플을 사용하여 휘발성 유기 화합물(VOCS)의 신속한 검출 및 정량화 기술
본 출원은 2018년 7월 31일에 출원된 미국 가특허 출원 제62/712,941호의 우선권을 주장하며, 이는 전체적으로 본 명세서에 참조로 통합된다.
본 출원은 음주 측정기 시스템(breathalyzer system) 및 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 출원은 호흡 샘플(breath sample)을 사용하여 현장에서 THC 및 다른 물질의 정량 분석(quantitative analysis)을 용이하게 하도록 설계된 음주 측정기 시스템 및 장치에 관한 것이다.
마리화나 합법화는 많은 사법 문제를 야기시켰고, 민간인의 안전에 대한 우려를 불러 일으켰다. 일일 마리화나 사용자는 2007년 미국 인구의 9.8%에서 2014년 13.39%로 증가하였다. 이는 3.6% 증가에 불과하지만, 마리화나의 향정신성 물질(psychoactive substance)인 β-9-테트라하이드로카나비놀(Δ-9-Tetrahydrocannabinol; Δ-9-THC)의 효능은 또한 2001년 5%에서 마리화나 잎에서는 20% 이상, 미정제 추출물(crude extract)에서는 60% 이상으로 증가하였다. 효능의 증가는 지역 인구에 대한 범죄 보고의 증가로 이어지고 있다. 특히, 마리화나 진료소(marijuana dispensaries)의 밀도가 높은 지역은 진료소가 있는 모든 주에서 재산 범죄율이 더 높았다. 마리화나 합법화에 따른 다른 문제는 자동차를 운전하는 동안 마리화나의 영향이다. 마리화나 사용자는 술 취하지 않은 운전자(sober driver)보다 자동차 사고를 당할 가능성이 25% 더 높으며, 주말에 모든 운전자의 10% 이상이 불법 약물의 영향을 받고 있다. 마리화나가 더 많은 주에서 합법화됨에 따라, 사람이 마리화나의 영향을 받고 있는지에 대해 정확하고 신속한 결정이 달성될 수 있도록 Δ-9-THC의 적절한 정량화가 필요하다. 이것은 또한 사법 시스템(judicial system)이 농도를 정확하게 결정할 수 있는 장치를 갖추는 데 도움이 될 것이며, Δ-9-THC의 설정된 한계가 차량 운행을 위해 결정되도록 할 것이다.
Δ-9-THC, 11-하이드록시-테트라하이드로칸나비놀(11-hydroxy-tetrahydrocannabinol; 11-OH-THC) 및 카복시-테트라하이드로칸나비놀(carboxy-tetrahydrocannabinol; THC-COOH)인 3가지 카나비노이드 화합물(cannabinoid compound)은 현재 혈액 내의 카나비노이드 농도를 결정하도록 분석된다. 현재, 카나비노이드와 같은 약물의 존재를 결정하는 기술은 혈액, 혈장, 소변 또는 구강액 샘플을 통한 분석이 필요하다. 대부분의 분석 기술은 대부분의 분석 기술은 질량 분석법에 결합 된 가스 크로마토그래피(gas chromatography coupled to mass spectrometry; GC/MS)를 사용한다. 이것은 샘플을 수집하고, 추가의 분석을 위해 실험실(lab)로 가져와야 하는 문제를 제시한다. 이러한 기술은 분석 시간이 길며, 대부분의 분석에서 카나비노이드를 검출하는 데 15 분 이상 걸린다. 또한, GC/MS를 사용하여 Δ-9-THC를 검출하면 또한 이온화 소스가 전자 이온화(electron ionization; EI)이기 때문에 다른 문제가 발생할 수 있다. 대마 식물(hemp plant)로부터 추출된 수지인 CBD(cannabidiol)는 Δ-9-THC와 동일한 분자량을 가질 뿐만 아니라, 전자 이온화를 사용하여 이온화할 때 동일한 질량 스펙트럼 단편화 패턴(mass spectrum fragmentation pattern)을 갖는다. 규제 물질법(controlled substances act)에 따라, CBD는 마리화나의 파생물이기 때문에 스케줄 I 약물로서 분류된다. 그러나, 2014년의 농업법(agricultural act)은 마케팅 연구(marketing research)의 목적으로 산업용 대마를 재배하고 판매하는 것을 허용하였다. 일부 주에서는 이 법안을 농업 전문가가 CBD를 합법적으로 판매하도록 계약할 권리로 간주한다. 이것은 신호가 사람의 호흡에서 CBD의 결과이고, 합법적으로 획득할 수 있기 때문에 사람의 호흡에서 Δ-9-THC의 양을 정량화하는 데 어려움을 야기한다.
신체 내의 Δ-9-THC의 법적 제한에 대한 법률이 일부 주에서 제정되었다. 12개의 주는 운전 중에 어떤 사람도 자신의 혈액에 카나비노이드를 섭취해서는 안된다는 무관용 정책(zero-tolerance policy)을 시행하고 있다. 그러나, 5개 주는 의료용 마리화나의 사용을 허용한다. 이것은 환자가 치료를 받고 나서 마리화나(DUIM)의 영향으로 운전하는 것으로 간주될 수 있기 때문에 하루 중 늦게 또는 주중 늦게 운전해야 하는 문제를 야기한다. 3가지 카나비노이드를 모두 테스트하는 분석 기술은 향정신성(psychoactive)이 아닌 THC-COOH가 Δ-9-THC와 11-OH-THC가 모두 혈액에 남아있는 후에 오랫동안 혈액에 남아 있기 때문에 문제가 될 수 있다. 사람은 향정신성 효과를 경험하지 않더라도 카나비노이드 테스트에 실패할 수 있다. 다른 주는 그 자체로 BCC(blood cannabis content) 법률을 채택하였다. 이를 선택한 주는 각각 전체 범위가 THC의 1 나노그램과 혈액 밀리리터(ng/ml) 내지~ 5ng/ml 사이인 자체 한계치를 갖는다. 운전하는 사람의 농도가 이러한 값보다 높으면, DUIM으로 간주되어 음주 운전과 유사한 처벌을 받는다. 불행하게도, Δ-9-THC 농도를 정확하고 빠르게 검출할 수 있는 장치는 아직 개발되지 않았다.
사람의 호흡으로부터 카나비노이드를 검출하는 것은 현장에서 비침습적인 신속한 결정을 가능하게 하기 위해 필요하다. 카나비노이드의 이전의 호흡 결정 방법은 비색 테스트(colorimetric test)를 사용하여 영향을 받는 사람의 호흡에서 마리화나가 검출되었을 때인 1972년으로 거슬러 올라간다. 이러한 테스트는 호흡 샘플이 파란색 또는 빨간색으로 변할지를 결정하기 위해 호흡을 수집하여 퀴논-4-할로미닌(quinone-4-haloimine), 2,6-디할로퀴논-4-할로미닌, 수산화나트륨, 암모니아와 일련의 반응을 이용하였다. 이러한 비색 테스트는 대형 반응 용기에서 수행되어야 하고, 긍정적인 결과를 나타내는 광범위한 색상을 가져야 하며, 양성 반응을 갖기 위해 호흡에서 적어도 1 마이크로그램의 THC를 필요로 하였다. 이러한 테스트는 Δ-9-THC의 레벨을 정량화할 수 없었으며, 현장에서 사용될 수도 없었다.
현재, LC/MS(liquid chromatography coupled to mass spectrometry), FAIMS(high-field asymmetric waveform ion mobility) 및 분광기에 결합된 액체 크로마토그래피인 3가지 타입의 음주 측정기는 현장에서 현지 법 집행관에 의해 사용되고 있다. 첫 번째 회사인 Sensabues는 호흡 샘플링 키트를 사용한다. 사람은 샘플링 챔버로 숨을 들이 마신 다음, 장치는 LC/MS를 사용하여 분석되도록 실험실로 다시 보내진다. 이러한 방법은 정량화를 위해 유용하지만, 현장에서 사용될 수 없어 이러한 방법은 중단된다. 또한, LCMS는 카나비노이드를 볼 수 있기 전에 샘플이 실험실에 도착하면 샘플을 분석하는데 몇 분이 필요하다. 다른 두 회사는 현장 측정이 가능한 시스템을 제공한다. Cannabix Technologies Inc.는 플로리다 대학의 Yost 연구 그룹과 협력하여 FAIMS(high-field asymmetric waveform ion mobility spectrometry)을 활용하는 Δ-9-THC 용 휴대용 음주 측정기를 개발하였다. 이러한 장치는 2분의 시간 윈도우에서 샘플을 분석할 수 있으며, 10ppm(parts per million)의 농도에서 샘플의 Δ-9-THC를 검출하고 정량화할 수 있다. 이러한 장치는 휴대성 문제를 극복하지만, FAIMS는 Δ-9-THC의 농도를 결정하는데 필요한 동일한 해상도 또는 피크 용량을 포함하지 않는다. 적절한 해상도가 없으면, 기기는 담배 연기와 대마초 연기의 화합물을 구별할 수 없다. 또한, 최대 용량이 없으면, 불법 약물과 같은 다른 화합물은 간과될 수 있어 운전자가 상이한 불법 물질의 영향을 받는 동안 계속 운전할 수 있다. 다른 회사인 Hound Labs Inc.는 형광형 애덕트(fluorescent adduct)를 Δ-9-THC 분자의 파라 위치(para-position)에 링크함으로써 Δ-9-THC의 존재를 검출하기 위해 분광기와 결합된 액체 크로마토그래피를 활용하는 휴대용 기기를 개발하였다. 이러한 장치는 피코그램 수량의 Δ-9-THC만을 필요로 하고, 사람의 호흡을 캡처하고 호흡을 C18 매체에 응축함으로써 동작한다. 그런 다음, 매체는 TLC 플레이트로 전달되며, 여기서 용매 혼합물이 투여되고, 몇 분 후에 형광 라벨이 전체 TLC 플레이트에 배치된다. 형광 라벨은 특히 Δ-9-THC에 결합한 다음, 다이오드 펌핑된 고체 레이저(diode-pumped solid-state laser)를 사용하여 여기된다. 이러한 여기된 상태는 스펙트럼의 시프트(shift)를 일으키며, 알려진 Δ-9-THC 샘플을 참조할 수 있다. 이러한 방법은 샘플을 분석하는데 8분 이상을 필요로 하며, 분석이 이루어질 때마다 알려진 참조를 사용할 필요가 있다.
세기가 바뀐 이후 민간인의 합성 오피오이드 과다 복용 건수는 200% 증가했으며, 2014~2016년 전체 약물 과다 복용 건수의 50%가 오피오이드(opioid)에 기인하였다. 군사 응급실이 2009-2012년 동안 27%에서 42%로 증가하는 오피오이드 과다 복용의 꾸준한 증가를 기록함에 따라 군인은 또한 오피오이드 과다 복용이 증가하였다. 민간인과 군인 모두에게 너무 많은 오피오이드 과다 복용이 발생함에 따라, 개선된 검출 방법이 필요하다. 대부분의 약물 집행 기관은 GC/MS(gas chromatography coupled to mass spectrometry) 또는 LC/MS(liquid chromatography to mass spectrometry)를 사용해서만 오피오이드를 분석할 수 있다. 메타돈(methadone) 및 펜타닐(fentanyl)과 같은 오피오이드는 인체에 들어가면 즉시 수산화된다. 이러한 수산화 과정은 프로피온산(propionic acid)과 같은 휘발성 유기 화합물(volatile organic compound; VOC)을 생성하는 대사 주기(metabolic cycle)를 시작한다. 이러한 VOC를 검출하는데 사용된 이전의 방법은 GC/MS와 결합된 SPME(solid phase micro extraction) 기술이었다. 불행하게도, 이러한 방법은 최대 10분의 긴 평형 시간(equilibration time)을 필요로 한다.
호흡 샘플로부터 카나비노이드(cannabinoid) 및 다른 물질의 개선된 현장 정량화를 위한 기술을 제공하는 시스템, 장치, 방법 및 컴퓨터 판독 가능 저장 매체가 개시된다. 본 개시의 예시적인 호흡 분석 시스템 및 장치는 호흡 샘플을 수용하고 호흡 샘플을 샘플링 챔버에 제공하도록 구성된 입구를 갖는 샘플링 챔버를 포함할 수 있다. 분자 수집기는 샘플링 챔버 내에 배치될 수 있다. 분자 검출기는 샘플링 챔버에 도입된 호흡 샘플에 존재하는 휘발성 유기 화합물(VOC)이 분자 수집기에 부착되도록 구성될 수 있다. 호흡 분석 시스템 및 장치는 샘플링 챔버 내에 열을 도입하거나 유도하도록 구성된 가열 요소를 포함할 수 있으며, 이는 분자 수집기에 부착된 VOC의 적어도 일부의 재흡수를 유발할 수 있다. 예시적인 호흡 분석 시스템 및 장치는 분자 수집기로부터 방출된 VOC의 적어도 일부 중에서 하나 이상의 타겟 VOC를 식별하고, 식별된 하나 이상의 타겟 VOC를 나타내는 출력을 생성하도록 구성된 분석 장치를 포함할 수 있다. 출력은 샘플링 챔버에 제공된 호흡 샘플에 대한 호흡 샘플의 소스에 대한 하나 이상의 타겟 VOC의 농도를 정량화하는 정보를 포함할 수 있다. 양태에서, 분석 장치는 질량 분광계 또는 테트라헤르츠(tetrahertz; THz) 분광계를 사용하여 하나 이상의 타겟 VOC를 식별할 수 있다.
상술한 내용은 다음과 같은 본 발명의 상세한 설명이 더 잘 이해될 수 있도록 본 발명의 특징 및 기술적 이점을 다소 광범위하게 요약하였다. 본 발명의 청구 범위의 주제(subject)를 형성하는 본 발명의 부가적인 특징 및 이점은 이후에 설명될 것이다. 개시된 개념 및 특정 실시예는 본 발명의 동일한 목적을 수행하기 위한 다른 구조를 수정하거나 설계하기 위한 기초로서 쉽게 활용될 수 있다는 것을 통상의 기술자는 인식해야 한다. 또한, 이러한 동등한 구성이 첨부된 청구 범위에 기재된 바와 같이 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않는다는 것을 통상의 기술자는 알아야 한다. 추가의 목적 및 이점과 함께 본 발명의 구성 및 동작 방법에 관한 본 발명의 특징으로 여겨지는 새로운 특징은 첨부된 도면과 관련하여 고려될 때 다음의 설명으로부터 더 잘 이해될 것이다. 그러나, 각각의 도면은 예시 및 설명을 위해서만 제공되며, 본 발명의 한계를 정의하기 위한 것이 아님을 더 잘 이해해야 한다.
본 발명의 더욱 완전한 이해를 위해, 첨부된 도면과 관련하여 취해진 다음의 설명에 대한 참조가 이제 이루어진다.
도 1은 본 개시의 양태에 따라 호흡 샘플을 분석하는 시스템의 블록도를 예시한다.
도 2는 본 개시의 양태에 따라 호흡 샘플을 분석하는 질량 분광계 기반 시스템의 다이어그램을 예시한다.
도 3은 본 개시의 양태에 따라 호흡 샘플을 분석하는 테라헤르츠 분광계 기반 시스템의 다이어그램을 예시한다.
도 4a는 본 개시의 양태에 따라 구성된 시스템에서 호흡 샘플을 수신하는 양태를 예시하는 다이어그램이다.
도 4b는 본 개시의 양태에 따라 구성된 시스템에서 수신된 호흡 샘플 분자의 양태를 예시하는 다이어그램이다;
도 4c는 본 개시의 양태에 따라 구성된 질량 분광계 기반 시스템을 사용하여 호흡 샘플 분자를 분석하는 양태를 예시하는 다이어그램이다.
도 4d는 본 개시의 양태에 따라 구성된 테라헤르츠(THz) 분광계 기반 시스템을 사용하여 호흡 샘플 분자를 분석하는 양태를 예시하는 다이어그램이다.
도 5는 건강한 호흡 샘플에 대해 관찰된 VOC를 예시하는 그래프이다.
도 6은 계절성 알레르기를 앓고 있는 사람의 호흡 샘플에 대해 관찰된 VOC를 예시하는 그래프이다.
도 7은 구강 세정제를 사용한 후 사람의 호흡 샘플에 대해 관찰된 VOC를 예시하는 그래프이다.
도 8은 톨루엔, 벤젠 및 자일렌에 대해 관찰된 VOC를 예시하는 그래프이다.
도 9는 마리화나 샘플에 대해 관찰된 VOC를 예시하는 그래프이다.
도 10은 본 개시의 양태에 따라 호흡 샘플을 분석하는 방법의 흐름도이다.
다양한 특징 및 유리한 상세 사항은 첨부된 도면에 예시되고 다음의 설명에서 상세히 설명되는 비제한적인 실시예를 참조하여 더 완전하게 설명된다. 본 발명을 상세하게 하여 불필요하게 모호하게 하지 않도록 하기 위해 잘 알려진 시작 재료, 처리 기술, 구성 요소 및 장치에 대한 설명은 생략된다. 그러나, 상세한 설명 및 특정 예는, 본 발명의 실시예를 나타내면서, 제한이 아니라 예시로서만 제공된다는 것이 이해되어야 한다. 기본 발명의 개념의 정신 및/또는 범위 내에서의 다양한 대체, 수정, 부가 및/또는 재배치는 본 개시로부터 통상의 기술자에게는 명백해질 것이다.
도 1을 참조하면, 본 개시의 양태에 따른 호흡 샘플을 분석하는 시스템의 블록도가 시스템(100)으로서 도시된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 시스템(100)은 샘플링 챔버(110) 및 분석 장치(120)를 포함한다. 양태에서, 샘플링 챔버(110)는 시스템(100)의 제거 가능 및/또는 일회용 구성 요소로서 구성될 수 있다. 이러한 배치에서, 샘플링 챔버(110)는 분석 장치(120)에 제거 가능하게 결합될 수 있다. 샘플링 챔버(110)를 시스템(100)의 제거 가능한 구성 요소로서 구성하면 분석 장치(120)에 의해 분석된 연속적인 호흡 샘플의 오염을 방지할 수 있다. 예를 들어, 제 1 샘플링 챔버는 첫 번째 사람이 제공한 호흡 샘플의 분석을 수행하는 데 활용될 수 있고, 제 2 샘플링 챔버는 두 번째 사람이 제공한 호흡 샘플의 분석을 수행하는 데 활용될 수 있다. 상이한 호흡 샘플에 대해 상이한 샘플링 챔버를 사용하면 하나의 호흡 샘플이 다른 호흡 샘플을 잠재적으로 오염시키는 것을 방지한다. 샘플링 챔버(110)가 일회용 구성 요소로서 구성되는 경우, 샘플링 챔버는 사용 후 또는 법 집행 기관이 샘플링 챔버를 유지하는 데 (예를 들어, 증거 목적을 위해) 필요한 시간량과 같이 원하는 시간이 경과한 후에 폐기될 수 있다. 샘플링 챔버(110)가 재사용 가능한 구성 요소로서 구성되는 경우, 샘플링 챔버(110)는 필요에 따라 후속 재사용을 위해 세척되고 준비될 수 있다. 양태에서, 분석 장치(120)의 일부는 또한 다수의 호흡 샘플을 분석하기 위해 활용되는 경우 오염될 수 있는 분석 장치(120)의 부분과 같은 일회용 및/또는 재사용 가능한 구성 요소로서 구성될 수 있다. 일 양태에서, 샘플링 챔버는 호흡 샘플을 획득하는 데 활용될 수 있는 카트리지(cartridge)로서 구성된 후, 분석을 위해 샘플링 장치(120) 내에 배치되거나 결합될 수 있다. 예를 들어, 분석 장치(120)는 법 집행 차량에 설치될 수 있고, 법 집행 공무원은 DUIM으로 의심되는 사람이 호흡 샘플을 카트리지에 제공하게 한 후, 본 개시의 양태에 따라 분석을 용이하게 하기 위해 카트리지를 분석 장치(120)에 결합할 수 있다. 상술한 예시적인 구성은 제한이 아니라 예시를 위해 제공되었으며, 본 개시에 따른 호흡 분석 시스템의 구성 요소를 배치, 결합 및/또는 통합하기위한 많은 다른 방식이 활용될 수 있다는 것이 주목된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 샘플링 챔버(110)는 외부 표면(104) 및 내부 표면(106)을 갖는 하우징을 포함할 수 있다. 하우징의 내부 표면(106)은 샘플링 챔버의 볼륨(volume)을 정의할 수 있다. 입구(112)는 샘플링 챔버(110)에 결합될 수 있다. 입구(112)는 호흡 샘플(102)을 수용하고 호흡 샘플(102)을 샘플링 챔버(110)에 제공하며, 보다 구체적으로는 호흡 샘플(102)을 샘플링 챔버의 볼륨에 제공하도록 구성될 수 있다. 양태에서, 일회용 마우스피스(disposable mouthpiece)(도 1에 도시되지 않음)는 입구(112)의 제 1 단부에 제거 가능하게 결합될 수 있고, 입구(112)의 제 2 단부는 샘플링 챔버(110)에 결합될 수 있다. 대안으로, 입구(112)의 제 1 단부는 마우스피스로서 활용될 수 있고, 입구(112)의 다른 단부는 샘플링 챔버(110)에 결합될 수 있다. 밸브(113)는 입구(112)와 샘플링 챔버(110) 사이의 공기 흐름 경로(air flow path) 내에 배치될 수 있다. 밸브(112)는 적어도 제 1 상태 및 제 2 상태로 구성할 수 있다. 예를 들어, 호흡 샘플(102)이 제공되었다면 주변 공기가 샘플링 챔버(110)로 들어가는 것을 방지함으로써, 제 1 상태는 호흡 샘플(102)이 샘플링 챔버(110)로 흐르도록 구성된 개방 상태에 상응할 수 있고, 제 2 상태는 호흡 샘플(102)의 오염을 방지하도록 구성된 폐쇄 상태에 상응할 수 있다. 일 양태에서, 샘플링 챔버(110)는 도 4a를 참조하여 아래에서 예시되고 설명되는 바와 같이 샘플링 챔버(110)로부터 비-VOC를 방출하도록 구성된 출구를 포함할 수 있다. 시스템(100)은 또한 호흡 샘플이 하나 이상의 기준을 만족하는지를 결정하도록 구성된 센서(115)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 센서(115)는 호흡 샘플(102)이 충분한 힘으로 발휘되었는지, 충분한 볼륨 등을 가지는지를 결정하도록 구성될 수 있으며, 이는 호흡 샘플(102)이 본 개시의 양태에 따라 분석을 용이하게 하기에 충분하다는 것을 보장할 수 있다.
분자 수집기(116)는 샘플링 챔버(110) 내에 배치될 수 있다. 분자 수집기(116)의 적어도 일부는 샘플링 챔버(110)의 볼륨 내에 배치될 수 있다. 분자 수집기(116)는 호흡 샘플에 존재하는 휘발성 유기 화합물(VOC)에 부착되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 분자 수집기(116)는 Carboxen®과 같은 재료로 구성될 수 있다. 분자 수집기(116)는 단일 재료(예를 들어, 상술한 재료 중 하나)로부터 형성될 수 있거나, 상술한 하나 이상의 재료로 코팅된 기본 재료(base material)와 같은 다수의 재료로부터 형성될 수 있다는 것이 주목된다. 양태에서, 분자 수집기(116)는 상술한 재료로부터 형성된 플레이트(plate) 또는 로드(rod)와 같은 솔리드 폼 팩터(solid form factor)를 가질 수 있거나, 상술한 재료로부터 형성된 메쉬(mesh)와 같은 다른 폼 팩터를 가질 수 있다. 샘플링 장치(110)는 또한 샘플링 챔버(110) 내에 열을 도입하도록 구성된 가열 요소(118)를 포함하거나 이에 결합될 수 있다. 예를 들어, 가열 요소(118)는 분자 수집기(116)에 결합되고 전압을 분자 수집기(116)에 인가하도록 구성된 전원을 포함할 수 있다. 전압을 분자 수집기(116)에 인가하면 분자 수집기를 가열하여, 샘플링 챔버(110) 내에 열을 도입할 수 있다. 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 샘플링 챔버(110) 내에 도입된 열은 분자 수집기(116)에 부착된 VOC가 샘플링 챔버의 볼륨 내에 방출되도록 할 수 있으며, 이에 따라 샘플링 챔버(110) 내에 존재하는 하나 이상의 VOC의 분석 및 식별을 용이하게 할 수 있다.
시스템(100)은 분석 장치를 포함할 수 있다. 분석 장치(120)는 (예를 들어, 가열 요소(118)에 의해 제공되거나 도입된 열로 인해) 분자 수집기(116)로부터 VOC의 적어도 일부를 방출한 후에 샘플링 챔버(110)에 존재하는 VOC 중에서 하나 이상의 타겟 VOC를 식별하도록 구성될 수 있다. 부가적으로, 분석 장치(120)는 하나 이상의 타겟 VOC를 나타내는 출력을 생성하도록 구성될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 분석 장치(120)는 하나 이상의 프로세서(122), 메모리(130), 분석 구성 요소(124) 및 하나 이상의 입출력(I/O) 장치(126)를 포함할 수 있다. 메모리(130)는, 하나 이상의 프로세서(122)에 의해 실행될 때, 하나 이상의 프로세서(122)가 호흡 샘플(102)의 하나 이상의 타겟 VOC를 분석하고 식별하는 것과 관련하여 분석 장치(120) 및 가능하게는 가열 요소(118)와 같은 시스템(100)의 다른 구성 요소의 동작을 제어하게 하는 명령어(132)를 저장할 수 있다. 하나 이상의 타겟 VOC는 Δ-9-테트라하이드로칸나비놀(Δ-9-THC), THC 대사 물질(metabolites), 오피오이드, 오피오이드 대사 물질 또는 이의 조합을 포함할 수 있다.
I/O 장치(126)는 스위치, 버튼, 라이트(light), 디스플레이 장치, 또는 시스템(100)의 동작과 관련하여 입력을 수신하고/하거나 출력을 제공하도록 구성된 다른 제어 요소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 스위치 및/또는 버튼은 시스템(100)의 전원을 켜고 끄며, 호흡 샘플이 제공되었음을 나타내고, 식별될 하나 이상의 타겟 VOC, 또는 다른 기능 및 제어 특징을 식별하기 위해 제공될 수 있다. 라이트는, 시스템(100)의 전원이 켜져 있거나 꺼져 있는지를 나타내고, 제공된 호흡 샘플이 (예를 들어, 센서(115)로부터 수신된 정보에 기초하여) 만족스러운지를 나타내고, 식별된 VOC를 나타내거나(예를 들어, 상이한 라이트는 시스템(100)에 의해 식별될 수 있는 상이한 VOC와 연관될 수 있음), 시스템(100)의 동작과 연관된 다른 정보를 제공하기 위해 제공될 수 있다. 하나 이상의 디스플레이 장치는 부가적으로 식별된 VOC를 나타내고, 시스템(100)의 동작 상태를 나타내는(예를 들어, 라이트 또는 다른 상태 정보와 관련하여 상술한 하나 이상의 상이한 특징을 나타내는 정보를 제공하는) 것 등과 같은 정보를 표시하기 위해 제공될 수 있다. 분석 구성 요소(124)는 호흡 샘플(102)의 하나 이상의 타겟 VOC를 식별하도록 구성된 질량 분광계 또는 테트라헤르츠(THz) 분광계를 포함할 수 있다.
도 2를 참조하면, 질량 분광계 기반 분석 구성 요소를 활용하는 시스템(100)의 예시적인 양태가 예시된다. 도 1 및 2에서, 유사한 참조 번호는 유사한 구성 요소를 나타내기 위해 활용된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 분석 구성 요소(124)는 이온화기(222), 질량 분석기(224) 및 검출기(226)를 포함할 수 있다. 상술한 바와 같이, 호흡 샘플(102)은 밸브(113)가 개방 상태에 있을 때 마우스피스(210)를 통해 입구(112)에 제공될 수 있다. 호흡 샘플(102)이 샘플링 챔버(110)의 볼륨에 제공된 후에, 가열 요소(118)(도 2에 도시되지 않음)는 활성화되어, 분자 수집기(116)에 부착된 VOC의 재흡수를 유발할 수 있다. 출구(204)는 방출된 VOC를 분석 구성 요소(124)에 제공하는데 활용된다. 밸브(213)는 VOC를 분석 구성 요소에 제공하는 것을 제어하기 위해 제 1 상태(예를 들어, 개방 상태) 및 제 2 상태(예를 들어, 폐쇄 상태)로 구성될 수 있다. 예를 들어, 제 1 상태에서, VOC는 출구(204)를 통해 분석 구성 요소(124)로 통과할 수 있고, 제 2 상태에서, VOC는 출구(204)를 통해 분석 구성 요소(124)로 통과하는 것이 방지될 수 있다. 이온화기(222)는 분자 수집기로부터 방출된 VOC의 적어도 일부를 이온화하여 하나 이상의 이온화된 단편(fragment)을 생성하도록 구성될 수 있다. 질량 분석기(224)는 (예를 들어, 하나 이상의 이온화된 단편의 질량 대 전하 비율에 따라) 하나 이상의 이온화된 단편을 분리하도록 구성될 수 있고, 검출기(226)는 분리된 하나 이상의 이온화된 단편에 기초하여 하나 이상의 타겟 VOC를 식별하도록 구성될 수 있다. 일 양태에서, 질량 분광계 구성 요소(예를 들어, 이온화기(222), 질량 분석기(224) 및 검출기(226))는 하나 이상의 프로세서(122), 메모리(130) 및 하나 이상의 I/O 장치(126)를 포함하는 컴퓨팅 장치와 같은 컴퓨팅 장치의 제어하에 또는 이와 협력하여 동작할 수 있다. 예를 들어, 컴퓨팅 장치는 호흡 샘플(102)에서 식별된 하나 이상의 타겟 VOC와 연관된 정보와 같은 정보를 질량 분광계 구성 요소로부터 수신할 수 있고, 하나 이상의 타겟 VOC와 연관된 정보에 기초하여 하나 이상의 타겟 VOC를 나타내는 출력을 생성할 수 있다. 부가적으로, 컴퓨팅 장치는 디스플레이 장치와 같은 출력 장치에서 출력을 표시하도록 구성될 수 있다.
도 3을 참조하면, THz 분광계 기반 분석 구성 요소를 활용하는 시스템(100)의 예시적인 양태가 예시된다. 도 1 및 3에서, 유사한 참조 번호는 유사한 구성 요소를 나타내기 위해 활용된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 분석 구성 요소(124)는 여기 소스(excitation source)(320) 및 검출기(322)를 포함할 수 있다. 상술한 바와 같이, 호흡 샘플(102)은 밸브(113)가 개방 상태에 있을 때 마우스피스(310)를 통해 입구(112)에 제공될 수 있다. 호흡 샘플(102)이 샘플링 챔버(110)의 볼륨에 제공된 후에, 가열 요소(118)(도 3에 도시되지 않음)는 활성화되어, 분자 수집기(116)에 부착된 VOC의 재흡수를 유발할 수 있다. 여기 소스(320)는 분자 수집기(116)로부터 VOC의 적어도 일부의 방출 후에 샘플링 챔버 내에 여기 신호(324)를 도입하도록 구성될 수 있고, 검출기(322)는 여기 신호(324)에 응답하여 분자 수집기(116)로부터 방출된 VOC의 적어도 일부의 여기와 연관된 하나 이상의 특성에 기초하여 하나 이상의 타겟 VOC를 식별하도록 구성될 수 있다. 일 양태에서, 여기 소스(320)는 THz 레이저 장치일 수 있고, 여기 신호(324)는 THz 레이저 신호일 수 있다. 양태에서, VOC의 적어도 일부의 여기와 연관된 하나 이상의 특성은 흡광도 특성(absorbance characteristic) 및 형광성 방출 특성(fluorescent emission characteristic) 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 이는 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이 호흡 샘플(102) 내에 존재하는 하나 이상의 타겟 VOC를 식별하는데 활용될 수 있다. 일 양태에서, THz 분광계 구성 요소(예를 들어, 여기 소스(320) 및 검출기(322))는 하나 이상의 프로세서(122), 메모리(130) 및 하나 이상의 I/O 장치(126)를 포함하는 컴퓨팅 장치와 같은 컴퓨팅 장치의 제어 하에 또는 이와 협력하여 동작할 수 있다. 예를 들어, 컴퓨팅 장치는 호흡 샘플(102)에서 식별된 하나 이상의 타겟 VOC와 연관된 정보와 같은 정보를 THz 분광계 구성 요소로부터 수신할 수 있고, 하나 이상의 타겟 VOC와 연관된 정보에 기초하여 하나 이상의 타겟 VOC를 나타내는 출력을 생성할 수 있다. 부가적으로, 컴퓨팅 장치는 디스플레이 장치와 같은 출력 장치에서 출력을 표시하도록 구성될 수 있다.
도 1을 다시 참조하면, 하나 이상의 타겟 VOC를 나타내는 출력은 호흡 샘플의 소스에 대해 하나 이상의 타겟 VOC의 농도를 정량화하는 정보를 포함할 수 있다. 이러한 정보는 호흡 샘플(102)을 제공한 사람과 같은 호흡 샘플의 소스가 손상되는지, 또는 하나 이상의 물질(예를 들어, 식별된 하나 이상의 타겟 VOC에 상응하는 물질)의 영향 하에 있는지의 결정을 용이하게 할 수 있다. 하나 이상의 타겟 VOC의 농도를 정량화하는 정보를 제공함으로써, 소스가 손상되는지, 또는 물질의 영향 하에 있는지의 보다 정확한 결정이 이루어질 수 있다. 부가적으로, (도 2 또는 도 3에 따라 구성된 바와 같은) 시스템(100)에 의해 활용되는 기술은 VOC 레벨의 보다 신속한 식별 및 정량화를 용이하게 할 수 있으며, 이에 따라 소스가 손상되는지 또는 THC와 같은 하나 이상의 물질의 영향 하에 있는지에 대한 현장 결정을 용이하게 할 수 있다. 예를 들어, 완료하는데 오랜 시간이 걸리는 특정 VOC를 정량적으로 분석할 수 있는 기존 시스템과 달리, 시스템(100)은 VOC의 결정 및 정량화를 몇 초 내에 용이하게 할 수 있으며, 이에 따라 법 집행관에 의한 것과 같은 현장에서의 실제 사용을 용이하게 할 수 있다.
도 4a-4d를 참조하면, 본 개시의 양태에 따라 호흡 샘플에 존재하는 VOC를 분석하는 시스템의 다양한 양태가 도시된다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 호흡 샘플은 입구(112)를 통해 샘플링 챔버(110)에 제공될 수 있다. 호흡 샘플은 도 4a에 도시된 예시적인 VOC(404, 406, 408)와 같은 하나 이상의 VOC를 포함할 수 있다. 부가적으로, 호흡 샘플은 CO2(402)와 같은 다른 가스를 포함할 수 있는 비-VOC를 포함할 수 있다. 일 양태에서, 샘플링 챔버(110)는 샘플링 챔버(110)로부터 비-VOC를 방출하도록 구성된 출구(410)를 포함할 수 있다. 출구(410)는 도 2의 출구(204)와 동일하지 않다는 것이 주목된다. 도 4b에 도시된 바와 같이, 호흡 샘플에 존재하는 VOC(404, 406, 408)는 분자 수집기(116)에 부착될 수 있다. 도 4c에서, 가열 요소(118)(도 4a-4d에 도시되지 않음)는 활성화되어, 샘플링 챔버(110) 내에 열을 도입하며, 이는 VOC가 분자 수집기(116)로부터 방출되도록 한다. VOC가 분자 수집기(116)로부터 방출된 후, VOC(또는 VOC의 적어도 일부)는, 도 2를 참조하여 상술한 바와 같이 분석을 위해 출구(204)(도 4c에 도시되지 않음)를 통해 도 2에 도시된 분석 장치와 같은 질량 분광계 기반 분석 장치에 제공될 수 있다. 도 4d에서, 가열 요소(118)(도 4a-4d에 도시되지 않음)는 활성화되어, 샘플링 챔버(110) 내에 열을 도입하며, 이는 VOC가 분자 수집기(116)로부터 방출되도록 한다. VOC가 분자 수집기(116)로부터 방출된 후, VOC(또는 VOC의 적어도 일부)는, 도 2를 참조하여 상술한 바와 같이 분석을 위해 도 3에 도시된 분석 장치와 같은 THz 분광계 기반 분석 장치에 제공될 수 있다. 예를 들어, 도 4d에 도시된 바와 같이, 여기 신호(324)는 샘플링 챔버 내에 제공되거나 투사될 수 있다. 후술하는 바와 같이, 여기 신호(324)에 의한 VOC의 여기는 샘플링 챔버(110)에 제공된 호흡 샘플에 존재하는 하나 이상의 타겟 VOC를 식별하기 위해 검출기(322)에 의해 활용될 수 있다.
THz 분광계 기반 시스템은 기존 시스템에 비해 몇 가지 이점을 제공할 수 있다는 것이 주목된다. 예를 들어, THz 분광계를 사용하면 몇 초 만에 완료될 수 있는 호흡 샘플의 신속한 분석을 용이하게 할 수 있고, 현지 법 집행 차량으로 운반될 수 있는 휴대용 시스템을 용이하게 할 수 있다. 부가적으로, THz 분광기 기반 시스템은 분자의 결합이 상이하기 때문에 Δ-9-THC와 CBD를 구별할 수 있다. THz 분광법 또는 원적외선 분광법은 회전 운동을 포함하는 쌍극자를 가진 화합물을 식별하는데 사용될 수 있다. 분광 범위는 마이크로파와 적외선 영역 사이에 있고, 3mm-30μm 또는 0.1-10THz 사이에서 동작한다. THz 분광계 기반 시스템의 다른 유리한 양태는 VOC와 같은 화합물이 식별될 수 있는 입도(granularity)이다. 예를 들어, THZ-TDS(time domain spectroscopy)는 1조 분의 1(parts-per-trillion)만큼 낮은 농도를 가진 화합물을 검출할 수 있다. THz-TDS는 Ti:Sapphire 레이저일 수 있는 펄스 펨토초 레이저(pulsed femtosecond laser)를 방출함으로써 동작한다. 레이저는 지연 선으로 분할된 후 2개의 광 전도성 안테나로 송신되어, 프로브 빔과 펌프 빔을 생성시킨다. 펌프 빔은 갈륨 비소(GaAs)로부터 형성될 수 있는 비선형 결정을 여기시키고, 신호를 샘플링 챔버(110) 내의 볼륨과 같은 샘플링 공간에 집중시킨다. 프로브 빔은 신호를 제 2 광 전도성 안테나로 송신하여 THz 방사선을 검출한다. 샘플의 스펙트럼을 획득하기 위해, 샘플의 THz 스펙트럼에서 빼기 위한 기준 역할을 하는 샘플 앞에 블랭크가 취해져야 한다. THz-TDS는 분자의 비틀림 변형(torsional deformations)과 분자의 분자간 결합(intermolecular bonding)을 결정하는데 유용하다. 호흡과 같은 기상 화합물을 분석하는 이점은 분자간 결합 상호 작용이 기상에서 더 약하여 비틀림 및 회전 분광 신호만을 남긴다는 것이다. 가스 분석을 위해 THz-TDS가 직면한 문제 중 하나는 대기 중에 물이 많이 존재한다는 것이며, 이는 장치의 고도에 따라 장치의 정확도를 변경할 수 있다. 이러한 문제는 분석 전에 배경을 수집하고, 신호에서 물을 제거하는 진공 또는 헬륨과 같은 건조한 불활성 가스를 사용하여 극복할 수 있다.
호흡 중 카나비노이드의 신호는 THZ-TDS를 통해 검출하기에는 너무 낮을 수 있지만, 적절한 신호를 얻기 위해 사전 농축기(pre-concentrator)가 사용될 수 있다. 이전에는, LC/MS를 사용한 Δ-9-THC 분석에 사전 농축 장치(pre-concentration device)가 활용되었다. 그러나, 이러한 사전 농축 장치는 물을 보유하고 휘발성 유기 화합물(VOC)의 식별을 손상시키는 흡착제 트래핑 재료(sorbent trapping material)를 활용하였다. 이러한 문제를 극복하기 위해, 상술한 분자 수집기(116)는 VOC를 찾을 때 수분 흡수량을 감소시키는 탄소 분자 체(carbon molecular sieves)를 활용할 수 있다. 탄소 분자 체는 흑연 면(graphitic plane) 사이에 화합물을 트래핑(trapping)하여, 분자의 크기에 따라 분자가 빠르게 또는 느리게 확산되도록 함으로써 작동한다. 분자는 흑연 면이 확대됨에 따라 가열 요소가 흡착제 재료에 적용될 때 빠르게 방출될 수 있다. 상술한 바와 같이, 본 개시의 시스템에서, 탄소 분자 체 흡착제 재료로부터 형성되거나 코팅된 전도성 재료는 분자 수집기로서 사용될 수 있다. 그러나, 흡착제 재료의 타입에 따라, 재료는 VOC를 상이한 레이트(rate)로 방출하여 분리가 여전히 달성될 수 있도록 할 수 있다. 이러한 탈착 프로세스는 신속한 가스 분석 기술에서 특정 탄소 분자 체 재료를 다른 재료와 구별한다. 양태에서, 분자 수집기(116)는 Carboxen®(예를 들어, Carboxen® 1000)과 같은 VOC 탈착성 재료로부터 형성될 수 있다. Carboxen®은 방출 시간에 기초하여 특정 분자를 식별하기 위해 신속한 VOC 가스 분석에 사용될 수 있다. 더 큰 분자는 더 작은 분자보다 흑연 면으로부터 더 빨리 방출되지 않을 수 있어, 더 작은 화합물이 더 큰 분자보다 빠르게 탈착되고 분석될 수 있도록 할 수 있다.
다음의 설명에서, 도 3을 참조하여 상술한 시스템과 유사한 카나비노이드 검출을 위한 THz 분광법 기반 시스템(THz spectroscopy-based system)은 도 2를 참조하여 상술한 시스템과 유사한 Thermo Fischer PolarisQ 질량 분광계 기반 시스템과 상호 참조되었다. 실험 설정(experimental setup)에서, Carboxen® 1000 코팅된 메쉬(mesh)로부터 형성된 분자 수집기를 포함하는 샘플링 챔버는 가열 요소(예를 들어, 24볼트 전원 공급 장치)에 결합되었다. 입구와 교체 가능한 마우스피스를 샘플링 챔버에 연결하는 밸브가 열려 있으면, 사람은 샘플링 챔버로 숨을 내쉬고, Carboxen® 분자 수집기 상에서 VOC를 트래핑한다. 다른 VOC는 또한 분자 수집기에 부착되지만, 비-VOC 가스는 샘플링 튜브를 통해 흘러 나왔다(도 4a). 숨을 내쉰 후, 밸브는 어떠한 외부 화합물이 분자 수집기에 침착되는 것을 방지하기 위해 닫혔다(도 4b). 그런 다음, 분자 수집기에는 분자 수집기를 고르게 가열하고 이에 부착된 화합물의 빠른 탈착을 촉진하기 위해 24V가 공급되었다. 질량 분광법 기준 특성화를 위해, 방출된 화합물은 신호가 검출되도록 하기 위해 질량 분광계에 제공되었다(도 4c). Carboxen®으로부터 형성되면, 분자 수집기는 또한 분리 기술을 용이하게 하며, 여기서 더 작은 VOC는 더 큰 화합물보다 더 빨리 방출되었다. 이를 통해 카나비노이드가 분자 수집기로부터 방출된 적절한 시간을 결정할 수 있었다. 적절한 시간이 결정되면, THz 분광계는 다른 배경 신호 없이 카나비노이드의 존재를 결정하여, 정확한 측정을 지원하는데 사용되었다. 이러한 카나비노이드의 시간 기준이 수집되면, 샘플링 챔버는 THz 분광계 기반 분석 장치에 배치되어, 여기 신호(예를 들어, THz 레이저 신호)가 분자 수집기에 의해 방출된 샘플을 검출하는데 사용되도록 한다(도 4d). THz 분광계 기반 시스템은 2가지 방식으로 동작할 수 있다. 첫 번째는 화합물(예를 들어, VOC)이 분자 수집기로부터 방출된 다음, 여기 신호를 통해 여기될 수 있다는 것이다. 여기된 분자는 기저 상태(ground state)로 돌아갈 때 검출기에 의해 흡광도(absorbance)로 검출될 수 있다. 다른 메커니즘은 분자 수집기의 빠른 가열로 인한 분자의 여기로 인해 형광 신호가 방출될 수 있다는 것이다. 시스템은 여기 신호에 의한 VOC의 여기에 응답하여 방출되는 형광 신호에 기초하여 호흡 샘플에서 카나비노이드 및/또는 다른 VOC의 존재를 결정하도록 구성될 수 있다.
질량 분광계 기반 시스템은 호흡 샘플을 분석하기 위해 개발되어 활용되었다. 이러한 시스템을 사용하여, 숨을 내쉬는 사람의 물리적 상태의 차이는 이미 입증되었다. 건강한 호흡 샘플, 계절성 알레르기(알레르기 호흡)를 앓고 있는 사람으로부터의 호흡 샘플, 및 리스테린(Listerine)으로 입을 씻은 직후에 사람으로부터 얻은 호흡 샘플은 PolarisQ 이온 트랩 질량 분광계에 부착된 Carboxen® 코팅된 메쉬로부터 형성된 분자 수집기를 가진 샘플링 챔버에서 수집되었다. 각각의 호흡 샘플 상에서 수행된 분석의 결과는 도 5(건강한 호흡 샘플), 도 6(계절성 알레르기를 앓고 있는 사람의 호흡 샘플), 및 도 7(리스테린으로 씻은 직후 사람으로부터의 호흡 샘플)에 예시된다. 도 5에서, 컷아웃(cutout)(504)은 박스(502)에 예시된 피크의 확대도를 예시한다. 도 6에서, 컷아웃(604)은 박스(602)에 예시된 피크의 확대도를 예시한다. 도 7에서, 컷아웃(704)은 박스(702)에 예시된 피크의 확대도를 예시한다. 도 5에서, 큰 51.93 m/z 값이 관찰되었으며, 이는 1-buten-3-yne에 상응한다. 이러한 1-buten-3-yne은 알레르기 호흡 샘플에서 발견되지 않았다. 알레르기 호흡 샘플에서, 도 6에 도시된 바와 같이, 가장 큰 피크는 66.93m/z에서 관찰되었으며, 이는 이소프렌(isoprene)에 상응하며, 그 다음에는 80.93 m/s(1-메틸-피롤)와 94.93 m/z(2-에틸피롤)에서 피크가 관찰되었다. 구강 청결제 샘플에서, 도 7에 예시되어 있는 바와 같이, 예상대로 이소프렌과 연관된 피크는 낮아졌고, 76.93 m/z에서의 에틸메틸설파이드 피크 및 90.93 m/z에서의 1,2,3-프로판트리올과 같은 다른 피크가 형성되었다. 더욱이, 컷아웃(604)에 예시된 254.60 m/z에서의 옥타데칸 피크와 같은 더 큰 분자량 화합물이 존재하게 되었다. 샘플은 모두 두드러진 66.93 m/z 피크를 보여주며, 이는 이소프렌을 나타낸다. 이소프렌은 모든 호흡 샘플에서 발견되어야 하며, 기기가 호흡 VOC를 샘플링하는지 확인하기 위한 기준으로서 사용될 수 있다. 도 5-7에 도시된 바와 같이, 관찰된 화합물의 두드러진 변화는 제시된 3가지 상이한 시나리오에서 발견되었다. 이러한 기기를 기준으로서 활용하여, 호흡 샘플에서의 카나비노이드의 결정은 아래에 설명되는 바와 같이 테라헤르츠 분광계를 사용하여 달성되었다.
벤젠, 톨루엔 및 자일렌의 테라헤르츠 스펙트럼이 획득되어, MenloSystems(독일 마르틴스리에드) K15 시간 도메인 테라헤르츠 분광계를 사용하여 가열된 마리화나 잎의 가스 샘플의 테라헤르츠 스펙트럼과 비교되었다. 이러한 기기는 건조 가스인 헬륨을 플라스크에 펌핑하여 휘발성 증기를 배출하고, VOC가 Carboxen® 기반 분자 수집기에 부착된 샘플링 챔버로 강제로 내보내는데 사용되었다. 그런 다음, 전압은 분자 수집기에 인가되어 VOC를 방출하였다. 벤젠, 톨루엔 및 자일렌에 대해 관찰된 결과는 도 8에 예시되어 있으며, 여기서 라인(802)은 자일렌으로부터 생성된 VOC를 나타내고, 라인(804)은 톨루엔으로부터 생성된 VOC를 나타내며, 라인(806)은 벤젠으로부터 생성된 VOC를 나타낸다. 도 9는 마리화나 샘플로부터 관찰된 VOC를 도시한다. 기체 샘플의 분석을 통해 회전 분광법을 얻을 수 있으며, 스캔된 주파수에서 벤젠에 대해 얻은 낮은 신호를 설명한다. 마리화나 샘플은 가장 많은 수의 회전 결합(rotational bond)을 가져 왔으며, 이는 순수한 샘플이 아니기 때문에 예상할 수 있다. 자일렌과 톨루엔은 같은 피크인 것으로 보였지만, 자일렌은 지속적으로 더 낮은 주파수 피크를 생성시켰고, 톨루엔은 더 높은 주파수에서 나타났다. 이는 자일렌이 방향족 링에 2개의 메틸 그룹을 부착하고 있지만, 톨루엔은 방향족 링에 1개의 메틸 그룹만을 부착하고 있기 때문이다.
테라헤르츠 스펙트럼을 기반으로 가스를 정량화하는 방법은 연속파 테라헤르츠 분광법을 사용하여 담배 연기를 사용하여 수행되었다. 그러나, 이렇게 수행하기 위해, 로렌츠 적합 방정식(Lorentzian fit equation)에 대한 변수를 입력하기 위한 데이터베이스가 필요하다. 카나비노이드는 아직 데이터베이스화되지 않았으며, 로렌츠 적합 방정식이 카나비노이드 정량화에 유용하지 않다. 그러나, 정량화는 테라헤르츠 스펙트럼의 흡광도 계수를 사용하여 여전히 달성될 수 있다. 측정된 투과율(transmission)(t(f))과 비교한 샘플 THz 필드의 투과율에 기초하여, 흡광도 계수는 다음과 같이 계산될 수 있다:
Figure pct00001
, (1)
여기서, ns(f)는 샘플 굴절률이고, c는 진공 상태에서의 빛의 속도이고, Φ(f)는 샘플 테라헤르츠 필드의 투과율과 기준 테라헤르츠 필드의 투과율 사이의 위상차이고, f는 주파수이며, d는 샘플 두께이다. 샘플 두께는 상술한 예에서 9cm인 샘플링 챔버의 길이일 수 있다. 다음과 같이 표현되는 샘플 굴절률은 다음과 같이 계산될 수 있고,
Figure pct00002
, (2)
Figure pct00003
, (3)
흡광 계수 α(f)가 계산될 수 있으며, 여기서 인터페이스에서의 신호의 손실은 RL과 같다. 기준 스펙트럼에서 샘플 스펙트럼을 빼면 Beer-Lambert 법칙이 다음과 같이 사용될 수 있다:
Figure pct00004
, (4)
여기서 T(f)는 샘플 투과된 THz 필드의 강도와 기준 투과된 THz 필드 간의 비율과 같다. 이것은 Δ-9-THC의 신속한 정량화를 허용할 수 있다. 본 개시에 따른 호흡 샘플 분석기 시스템은 (예를 들어, 명령어로서 저장된 소프트웨어를 통해) 이러한 방정식을 이용하여 사람의 호흡으로부터 카나비노이드의 농도를 계산하도록 구성될 수 있다. 샘플 볼륨은 사람마다 다를 수 있다. 따라서, 시스템은 결정된 농도의 부정확성을 방지하거나 완화하기 위해 사람이 내쉬는 호흡 샘플의 전체 볼륨을 고려하도록 구성될 수 있다.
도 10을 참조하면, 본 개시의 양태에 따라 호흡 샘플을 분석하는 방법의 흐름도는 방법(1000)으로서 도시된다. 일 양태에서, 방법(1000)은 도 1의 시스템(100)에 의해 수행될 수 있으며, 이는 도 2를 참조하여 상술한 바와 같은 질량 분광계 기반 접근법 또는 도 3을 참조하여 상술한 바와 같은 THz 분광계 기반 접근법을 활용할 수 있다. 일 양태에서, 방법(100)의 동작 또는 단계는, 하나 이상의 프로세서(예를 들어, 도 1-3의 하나 이상의 프로세서(122))에 의해 실행될 때, 하나 이상의 프로세서가 본 개시의 양태에 따라 호흡 샘플을 분석하기 위한 동작을 수행하게 하는 메모리(예를 들어, 도 1-3의 메모리(130))에 저장된 프로그램 또는 명령어(예를 들어, 도 1-3의 명령어(132))로서 구현될 수 있다.
도 10에 도시된 바와 같이, 방법(1000)은, 단계(1010)에서, 샘플링 챔버에서 호흡 샘플을 수용하는 단계를 포함한다. 상술한 바와 같이, 호흡 샘플은 샘플링 챔버(예를 들어, 도 1의 샘플링 챔버(110))에 결합된 입구(예를 들어, 도 1의 입구(112))를 통해 샘플링 챔버에 수용될 수 있고, 샘플링 챔버는 샘플링 챔버 내에 배치된 분자 수집기(예를 들어, 도 1의 분자 수집기(116))를 포함할 수 있다. 단계(1020)에서, 방법(1000)은 가열 요소를 통해 샘플링 챔버 내에 열을 도입하는 단계를 포함한다. 일 양태에서, 열은 도 1의 가열 요소(118)에 의해 도입될 수 있다. 단계(1030)에서, 방법(1000)은 분석 장치가 분자 수집기로부터 VOC의 적어도 일부의 방출 후에 샘플링 챔버에 존재하는 VOC 중에서 하나 이상의 타겟 VOC를 식별하는 단계를 포함한다. 상술한 바와 같이, VOC의 적어도 일부는 (예를 들어, 단계(1020)에서) 가열 요소에 의해 샘플링 챔버 내에 도입된 열에 의해 분자 수집기로부터 방출될 수 있다. 분석 장치는 도 2를 참조하여 상술한 바와 같은 질량 분광계 기반 장치일 수 있거나, 도 3을 참조하여 상술한 바와 같은 THz 분광계 기반 장치일 수 있다. 단계(1040)에서, 방법(1000)은 분석 장치가 하나 이상의 타겟 VOC를 나타내는 출력을 생성하는 단계를 포함한다. 일 양태에서, 하나 이상의 타겟 VOC는 Δ-9-THC, 11-하이드록시-테트라하이드로칸나비놀(11-OH-THC), 카복시-테트라하이드로칸나비놀(THC-COOH), THC 대사 물질, 오피오이드(예를 들어, 메타돈 및 펜타닐, 오피오이드 대사 물질) 중 하나 이상과 연관될 수 있다. 상술한 바와 같이, 하나 이상의 타겟 VOC를 나타내는 출력은 호흡 샘플을 제공하는 사람과 같은 호흡 샘플의 소스에 대해 하나 이상의 타겟 VOC의 농도를 정량화하는 정보를 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 개시에 따른 호흡 분석 시스템 및 방법은 현장의 호흡 샘플로부터 카나비노이드 및 다른 물질의 검출을 용이하게 하는 장치를 제공할 수 있다. 이러한 시스템은 운전자가 DUIM인지를 빠르고 정확하게 식별/결정하기 위해 법 집행 담당자가 활용할 수 있다. 현장에서 이러한 결정을 내릴 수 있는 능력은 이러한 문제를 검출하고 해결하는 것과 관련하여 형사 사법 분야(criminal justice field)의 능력을 크게 향상시킨다. 예를 들어, 이전의 기술은 샘플을 획득한 다음, 몇 분 또는 몇 시간이 걸리는 실험실로 보냈다. 이러한 긴 분석 시간은 이벤트 현장에서 어떤 조치도 제대로 취하지 못하게 한다. 대조적으로, 본 개시에 따른 호흡 분석 시스템을 이용하여, 지역 법 집행 기관은 현장에서 결정적인 증거를 얻을 수 있다. 이러한 기기의 적용은 다른 분야에서 DUIM 운전자의 검출을 촉진하고, 이를 도로에서 제거하며, 다른 운전자의 안전을 향상시키는 방향으로 전환해야 한다. 부가적으로, 본 개시의 호흡 분석 시스템은 신속하고 휴대 가능한 기술로 다른 불법 약물의 검출을 용이하게 할 수 있다. 현장에서의 검출 외에도, 개시된 시스템에 의해 제공되는 카나비노이드의 농도를 정확하게 정량화하는 능력은 사람이 DUIM인지를 정의하는데 사용되는 표준 농도를 개발하는 능력을 제공할 수 있다.
본 출원의 실시예 및 이의 이점이 상세하게 설명되었지만, 첨부된 청구항에 의해 정의된 바와 같이 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양한 변화, 대체 및 변경이 본 명세서에서 이루어질 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 더욱이, 본 출원의 범위는 본 명세서에 설명된 프로세스, 기계, 제조, 물질의 조성, 수단, 방법 및 단계의 특정 실시예로 제한되도록 의도되지 않는다. 통상의 기술자가 본 발명의 개시로부터 프로세스, 기계, 제조, 물질의 조성, 수단, 방법 또는 단계를 쉽게 알 수 있는 바와 같이, 실질적으로 동일한 기능을 수행하거나 본 명세서에 설명된 상응하는 실시예와 실질적으로 동일한 결과를 달성하는 현재 존재하거나 이후에 개발될 것은 본 발명에 따라 활용될 수 있다. 따라서, 첨부된 청구항은 이러한 프로세스, 기계, 제조, 물질의 조성, 수단, 방법 또는 단계와 같은 범위 내에 포함하도록 의도된다. 더욱이, 본 출원의 범위는 본 명세서에 설명된 프로세스, 기계, 제조, 물질의 조성, 수단, 방법 및 단계의 특정 실시예로 제한되도록 의도되지 않는다.

Claims (20)

  1. 호흡 샘플을 분석하는 시스템에 있어서,
    샘플링 챔버;
    상기 샘플링 챔버에 결합되고, 호흡 샘플을 수용하여 상기 호흡 샘플을 상기 샘플링 챔버에 제공하도록 구성된 입구;
    상기 샘플링 챔버 내에 배치된 분자 수집기로서, 상기 호흡 샘플에 존재하는 휘발성 유기 화합물(VOC)에 부착되도록 구성되는, 상기 분자 수집기;
    상기 샘플링 챔버 내에 열을 도입하도록 구성된 가열 요소; 및
    상기 분자 수집기로부터 상기 VOC의 적어도 일부 - 상기 VOC의 적어도 일부는 상기 가열 요소에 의해 상기 샘플링 챔버 내에 도입된 열에 의해 상기 분자 수집기로부터 방출됨 - 의 방출 후에 상기 샘플링 챔버에 존재하는 상기 VOC 중에서 하나 이상의 타겟 VOC를 식별하고;
    상기 하나 이상의 타겟 VOC를 나타내는 출력을 생성하도록 구성되는 분석 장치를 포함하는, 호흡 샘플을 분석하는 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 분자 수집기는 Carboxen® 코팅된 메쉬를 포함하는, 호흡 샘플을 분석하는 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 가열 요소는 상기 분자 수집기에 결합되고, 상기 샘플링 챔버 내에 열을 도입하기 위해 전압을 상기 분자 수집기에 인가하도록 구성된 전원을 포함하는, 호흡 샘플을 분석하는 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 분석 장치는 질량 분광계, 상기 질량 분광계에 통신 가능하게 결합된 컴퓨팅 장치, 및 상기 컴퓨팅 장치에 통신 가능하게 결합된 출력 장치를 포함하고,
    상기 질량 분광계는,
    상기 분자 수집기로부터 방출된 상기 VOC의 적어도 일부를 이온화하여 하나 이상의 이온화된 단편을 생성하도록 구성된 이온화기;
    상기 하나 이상의 이온화된 단편을 분리하도록 구성된 질량 분석기; 및
    분리된 하나 이상의 이온화된 단편에 기초하여 상기 하나 이상의 타겟 VOC를 식별하도록 구성된 검출기를 포함하며;
    상기 컴퓨팅 장치는,
    상기 검출기에 의해 식별된 상기 하나 이상의 타겟 VOC와 연관된 정보에 기초하여 상기 하나 이상의 타겟 VOC를 나타내는 출력을 생성하고;
    상기 출력 장치에서 출력을 표시하도록 구성된 하나 이상의 프로세서; 및
    상기 하나 이상의 프로세서에 통신 가능하게 결합된 메모리를 포함하는, 호흡 샘플을 분석하는 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 타겟 VOC는 Δ-9-THC, 11-하이드록시-테트라하이드로칸나비놀(11-OH-THC), 카복시-테트라하이드로칸나비놀(THC-COOH), THC 대사 물질, 오피오이드, 오피오이드 대사 물질 또는 이의 조합을 포함하는, 호흡 샘플을 분석하는 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 분석 장치는 테라헤르츠(THz) 분광계를 포함하는데, 상기 분광계는,
    상기 분자 수집기로부터의 상기 VOC의 적어도 일부의 방출 후에 상기 샘플링 챔버 내에 여기 신호를 도입하도록 구성된 여기 소스; 및
    상기 여기 신호에 응답하여 상기 분자 수집기로부터 방출된 상기 VOC의 적어도 일부의 여기와 연관된 하나 이상의 특성에 기초하여 상기 하나 이상의 타겟 VOC를 식별하도록 구성된 검출기를 포함하는, 호흡 샘플을 분석하는 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 여기 소스는 THz 레이저를 포함하고, 상기 하나 이상의 타겟 VOC는 Δ-9-THC, 11-하이드록시-테트라하이드로칸나비놀(11-OH-THC), 카복시-테트라하이드로칸나비놀(THC-COOH), THC 대사 물질, 오피오이드, 오피오이드 대사 물질 또는 이의 조합을 포함하는, 호흡 샘플을 분석하는 시스템.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 VOC의 적어도 일부의 여기와 연관된 상기 하나 이상의 특성은 흡광도 특성 및 형광성 방출 특성 중 적어도 하나를 포함하는, 호흡 샘플을 분석하는 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 입구의 제 1 단부에 제거 가능하게 결합된 일회용 마우스피스를 더 포함하며, 상기 입구의 제 2 단부는 상기 샘플링 챔버에 결합되는, 호흡 샘플을 분석하는 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 입구와 상기 샘플링 챔버 사이의 공기 흐름 경로 내에 배치된 밸브를 더 포함하는데, 상기 밸브는 적어도 제 1 상태 및 제 2 상태로 구성될 수 있고, 상기 제 1 상태는 상기 호흡 샘플이 상기 샘플링 챔버로 흐르게 하도록 구성된 개방 상태에 상응하고, 상기 제 2 상태는 상기 호흡 샘플의 오염을 방지하도록 구성된 폐쇄 상태에 상응하는, 호흡 샘플을 분석하는 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 샘플링 챔버로부터 비-VOC를 방출하도록 구성된 출구를 더 포함하는, 호흡 샘플을 분석하는 시스템.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 타겟 VOC를 나타내는 상기 출력은 상기 호흡 샘플의 소스에 대한 상기 하나 이상의 타겟 VOC의 농도를 정량화하는 정보를 포함하는, 호흡 샘플을 분석하는 시스템.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 호흡 샘플이 하나 이상의 기준을 충족하는지를 결정하도록 구성된 센서를 더 포함하는, 호흡 샘플을 분석하는 시스템.
  14. 호흡 샘플을 분석하는 방법에 있어서,
    샘플링 챔버에서 상기 샘플링 챔버에 결합된 입구를 통해 호흡 샘플을 수용하는 단계로서, 상기 샘플링 챔버는 상기 샘플링 챔버 내에 배치된 분자 수집기를 포함하고, 상기 분자 수집기는 상기 호흡 샘플에 존재하는 휘발성 유기 화합물(VOC)에 부착되도록 구성되는, 상기 수용하는 단계;
    상기 가열 요소를 통해 상기 샘플링 챔버 내에 열을 도입하는 단계;
    분석 장치가 상기 분자 수집기로부터 상기 VOC의 적어도 일부의 방출 후에 상기 샘플링 챔버에 존재하는 상기 VOC 중에서 하나 이상의 타겟 VOC를 식별하는 단계로서, 상기 VOC의 적어도 일부는 상기 가열 요소에 의해 상기 샘플링 챔버 내에 도입된 상기 열에 의해 상기 분자 수집기로부터 방출되는, 상기 식별하는 단계; 및
    상기 분석 장치가 상기 하나 이상의 타겟 VOC를 나타내는 출력을 생성하는 단계로서, 상기 하나 이상의 타겟 VOC를 나타내는 출력은 상기 호흡 샘플의 소스에 대한 상기 하나 이상의 타겟 VOC의 농도를 정량화하는 정보를 포함하는, 상기 생성하는 단계를 포함하는, 호흡 샘플을 분석하는 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 분자 수집기는 Carboxen® 코팅된 메쉬를 포함하고, 상기 가열 요소는 상기 분자 수집기에 결합된 전원을 포함하며, 상기 방법은 상기 샘플링 챔버 내에 상기 열을 도입하도록 상기 분자 수집기에 전압을 인가하는 단계를 포함하는, 호흡 샘플을 분석하는 방법.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 타겟 VOC는 Δ-9-THC, 11-하이드록시-테트라하이드로칸나비놀(11-OH-THC), 카복시-테트라하이드로칸나비놀(THC-COOH), THC 대사 물질, 오피오이드, 오피오이드 대사 물질,
    또는 이의 조합을 포함하는, 호흡 샘플을 분석하는 방법.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 분석 장치는 질량 분광계, 상기 질량 분광계에 통신 가능하게 결합된 컴퓨팅 장치, 및 상기 컴퓨팅 장치에 통신 가능하게 결합된 출력 장치를 포함하고, 상기 하나 이상의 타겟 VOC를 식별하는 단계는,
    상기 질량 분광계의 이온화기가 하나 이상의 이온화된 단편을 생성하도록 상기 분자 수집기로부터 방출된 상기 VOC의 적어도 일부를 이온화하는 단계;
    상기 질량 분광계의 질량 분석기가 상기 하나 이상의 이온화된 단편을 분리하는 단계;
    상기 질량 분광계의 검출기가 상기 분리된 하나 이상의 이온화된 단편에 기초하여 상기 하나 이상의 타겟 VOC를 식별하는 단계로서, 상기 하나 이상의 타겟 VOC를 나타내는 출력은 상기 검출기에 의해 식별된 상기 하나 이상의 타겟 VOC와 연관된 정보에 기초하여 상기 컴퓨팅 장치에 의해 생성되는, 상기 식별하는 단계; 및
    상기 출력 장치에서 출력을 표시하는 단계를 포함하는, 호흡 샘플을 분석하는 방법.
  18. 제 14 항에 있어서,
    상기 분석 장치는 테라헤르츠(THz) 분광계를 포함하고, 상기 하나 이상의 타겟 VOC를 식별하는 단계는,
    여기 소스가 상기 분자 수집기로부터의 상기 VOC의 적어도 일부의 방출 후에 상기 샘플링 챔버 내에서 여기 신호를 방출하는 단계; 및
    상기 THz 분광계의 검출기가 상기 여기 신호에 응답하여 상기 분자 수집기로부터 방출된 상기 VOC의 적어도 일부의 여기와 연관된 하나 이상의 특성에 기초하여 상기 하나 이상의 타겟 VOC를 식별하는 단계를 포함하는, 호흡 샘플을 분석하는 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 여기 소스는 THz 레이저를 포함하고, 상기 VOC의 적어도 일부의 여기와 연관된 상기 하나 이상의 특성은 흡광도 특성 및 형광성 방출 특성 중 적어도 하나를 포함하는, 호흡 샘플을 분석하는 방법.
  20. 하나 이상의 프로세서에 의해 실행될 때, 하나 이상의 프로세서가 호흡 샘플을 분석하기 위한 동작을 수행하게 하는 명령어를 저장하는 비일시적 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체에 있어서,
    상기 동작은,
    호흡 샘플이 샘플링 챔버에 제공된 후 상기 샘플링 챔버 내에 열을 도입하도록 구성된 가열 요소를 활성화하는 동작으로서, 상기 샘플링 챔버는 상기 샘플링 챔버 내에 배치된 분자 수집기를 포함하고, 상기 분자 수집기는 상기 호흡 샘플에 존재하는 휘발성 유기 화합물(VOC)에 부착되도록 구성되는, 상기 활성화하는 동작;
    상기 분자 수집기로부터 상기 VOC의 적어도 일부의 방출 후에 상기 샘플링 챔버에 존재하는 상기 VOC 중에서 하나 이상의 타겟 VOC를 식별하는 동작으로서, 상기 VOC의 적어도 일부는 상기 가열 요소에 의해 상기 샘플링 챔버 내에 도입된 상기 열에 의해 상기 분자 수집기로부터 방출되고, 상기 하나 이상의 타겟 VOC는 Δ-9-THC, 11-하이드록시-테트라하이드로칸나비놀(11-OH-THC), 카복시-테트라하이드로칸나비놀(THC-COOH), THC 대사 물질, 오피오이드(opioids), 오피오이드 대사 물질(opioid metabolites) 또는 이의 조합을 포함하는, 상기 식별하는 동작; 및
    상기 하나 이상의 타겟 VOC를 나타내는 출력을 생성하는 동작으로서, 상기 하나 이상의 타겟 VOC를 나타내는 출력은 상기 호흡 샘플의 소스에 대한 상기 하나 이상의 타겟 VOC의 농도를 정량화하는 정보를 포함하는, 상기 생성하는 동작을 포함하는, 비일시적 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체.
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