KR20210119332A - 광음향 검출을 통해 분석물을 검출하는 장치 - Google Patents
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Abstract
접촉면(3)을 통해서, 분석 대상 매체에 대해 적용되도록 의도된 광음향 검출 장치(1)이며, 상기 장치는:
- 접촉면에 생성된 제1 개구(22)를 포함하는 중공 공동(20)으로서, 공동은 제1 개구 주위로 연장되는 격납 쉘(21)에 의해 경계형성되는, 중공 공동(20);
- 방출 스펙트럼 대역(Δλ) 내에서, 입사광파(11)를 공동(20)을 통해서 제1 개구로 방출하도록 구성되는 펄스화 또는 진폭-변조된 광원(10);
- 공동에 연계되며 공동을 통해서 연장되는 광음향파(12)를 검출하도록 구성되는 음향 변환기(28)를 포함한다.
광음향 검출 장치는 음향 변환기에 의해 검출된 광음향파의 진폭을 증가시키도록 최적화된다.
- 접촉면에 생성된 제1 개구(22)를 포함하는 중공 공동(20)으로서, 공동은 제1 개구 주위로 연장되는 격납 쉘(21)에 의해 경계형성되는, 중공 공동(20);
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광음향 검출 장치는 음향 변환기에 의해 검출된 광음향파의 진폭을 증가시키도록 최적화된다.
Description
본 발명의 기술 분야는 광음향 검출 기술을 사용하여 분석물을 검출하는 것이다.
광음향 검출은 분석된 매체(analysed medium)에 의한 펄스화 또는 진폭-변조된 전자기 입사파(pulsed or amplitude-modulated electromagnetic incident wave)의 흡수의 영향 하에서 발생되는 음향파의 검출에 기초 한다. 음향파는, 입사파의 흡수의 영향 하에서 분석된 매체 내에 존재하는 흡수 분자의 가열에 후속하여 형성된다. 가열은 매체의 변조된 열팽창으로 이어지며, 상기 팽창은 음향파의 근원이다.
입사 전자기파의 파장을 분석물의 흡수 파장으로 조정함으로써, 광음향 검출이 하나의 특정 분석물에 대해 특정하게 이루어질 수 있다. 따라서, 광음향 검출은 가스 내의 기상 종(gaseous species)의 검출 또는 생물학적 조직 내의 특정 분자의 존재의 검출에 적용되었다. 입사파의 파장은 종종 적외에 위치된다.
따라서, 광음향 검출은 산란 또는 불투명 매체에 적용될 수 있는 비침습성 분석 기술이다.
생체 조직에 대한 광음향 검출의 적용은 예를 들어 하기 간행물에 기재되어 있다:
- Bauer AJ. "생체내 피부에 대한 IR-분광학(IR-spectroscopy for skin in vivo): 광음향 및 광열 분광법에 의한 비침습성 글루코스(glucose) 측정을 위한 최적의 피부 부위 및 특성"; 저널 오브 바이오포토닉스 11(Journal of Biopohtonics 11)(2018);
- "인간 표피의 생체내 중간-IR 분광법을 위한 무창식(windowless) 초음파 광음향 셀: 피부 접촉에 의해 야기되는 기압, 온도 및 습도의 변화에 의한 낮은 간섭이 간질액 내의 글루코스의 비-침습적 모니터링 가능성을 연다", Rev. Sci. Instrum. 84, 084901 (2013).
이러한 간행물에서는, 수십 헤르츠와 수십 킬로헤르츠 사이에서 구성되는 주파수에서 활성화되는 펄스형 광원이 채용된다. 그 목적은 사용자의 피부 아래의 10 μm와 50 μm 사이에서 구성되는 깊이에서 간질 체액 내의 글루코스 농도를 추산하는 것이다. 이를 위해, 사용자의 피부에 배치된 광음향 검출 장치가 이용된다.
본 발명자들은 더 큰 깊이(larger depths)를 처리하고 검출된 음향파의 진폭을 증가시키는 것을 가능하게 하기 위해 기존 장치를 개선하고자 하였다.
본 발명의 제1 주제는, 접촉면을 통해서, 분석 대상 매체에 대해서 적용되도록 의도된 광음향 검출 장치이며, 상기 장치는:
- 제1 개구 상으로 돌출하는 중공 공동으로서, 제1 개구는 접촉면 내에 생성되는, 중공 공동;
- 방출 스펙트럼 대역(emission spectral band) 내에서, 입사광파를 공동을 통해서 제1 개구로 방출하도록 구성되는 펄스화 또는 진폭-변조된 광원;
- 공동에 연계되고 공동을 통해서 연장되는 광음향파를 검출하도록 구성되는 음향 변환기를 포함하여;
상기 매체의 조명의 영향 하에서, 입사광파에 의해 음향 변환기가 상기 매체의 가열에 의해 생성되는 음향파를 검출한다.
장치는, 단독으로 또는 임의의 기술적으로 달성될 수 있는 조합으로 구현되는 다음의 특징 중 임의의 하나를 포함할 수 있다:
- 광원은 레이저 공급원이고;
- 공동의 체적은 50 μL(마이크로리터) 미만 또는 30 μL 미만이다. 이는 5 μL와 30 μL 사이에서 구성될 수 있다.
- 장치는 1 mm와 20 mm 사이에서 구성되는 길이에 걸쳐 공동과 공동 외측의 공기 사이에서 연장되는 개방 튜브를 포함하고, 튜브의 직경은 다음과 같다:
● 공동의 체적이 15 μL 이하일 때, 튜브의 직경은 150 μm와 300 μm 사이에서 구성된다.
● 공동의 체적이 15 μL와 30 μL 사이에서 구성될 때, 튜브의 직경은 200 μm와 350 μm 사이에서 구성된다.
● 공동의 체적이 30 μL보다 큰 경우, 튜브의 직경은 250 μm 와 500 μm 사이에서 구성된다.
- 공동은 횡방향 벽 및 측방향 벽에 의해 경계형성되고, 측방향 벽은 횡방향 벽과 접촉면 사이에서 연장되고;
- 튜브는 횡방향 벽을 통해/횡방향 벽으로부터 또는 측방향 벽을 통해 연장하고;
- 장치는 상기 음향 변환기와 공동 사이에서 연장하는 음향 채널을 포함하며,
- 장치는, 광원에 의해 방출된 입사광파를 제1 개구로 지향시키도록 구성된 광학적 구성요소를 포함하고, 광학적 구성요소는 반사체일 수 있다;
- 광원은 레이저 공급원이고, 장치는 가능하게는 접촉면으로부터 광원으로 연장하는 홀더를 포함하고, 홀더는 분석된 매체에 의해 방출된 열을 광원에 전도하도록 구성되고,
- 장치는 접촉 면으로부터 광원까지 연장되는 홀더를 포함하고, 홀더는 분석된 매체에 의해 방출된 열을 광원으로 전도하도록 구성된다. 홀더는 예를 들어 열전도성 금속, 구리 또는 알루미늄을 포함하고;
- 공동의 체적은 20 μL미만이다.
본 발명의 제2 주제는 매체 내의 분석물의 농도를 추산하기 위한 방법이며, 다음과 같은 단계를 포함한다:
a) 접촉면이 매체에 대해서 유지되도록, 본 발명의 제1 주제에 따른 장치를 매체에 대해서 적용하는 단계;
b) 광원을 활성화시키는 단계로서, 광원은 분석물의 흡수 파장에 대응하는 파장으로 활성화 또는 변조 주파수에서 펄스화되거나 진폭-변조되는 입사광파를 방출하는 단계;
c) 광원의 활성화 주파수와 동일한 주파수에서, 입사광파의 영향 하에서 매체에 의해 방출되는 음향파를 검출하는 단계;
d) 음향파의 진폭을 측정하는 단계;
e) 단계 d)에서 측정된 진폭으로부터 매체 내의 분석물의 존재를 검출하고 및/또는 매체 내 분석물의 농도를 추산하는 단계.
본 발명은 아래에 열거되는 도면을 참조하여 상세한 설명에서 설명되는 예시적인 실시예의 설명으로부터 더욱 잘 이해될 것이다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 장치의 2가지 실시예를 도시한다.
도 2a는 모델링된 공동을 도시한다.
도 2b는 도 2a의 모델링된 공동의 등가 회로도를 도시한다.
도 3a는, 100 Hz-1 kHz의 스펙트럼 대역에서 도 2a에 도시된 바와 같은 공동 내의 음향파의 진폭의 상대적인 변화를 모델링한 결과를 공동의 응급 튜브(emergent tube)의 길이(x-축 - mm)와 공동의 직경(y-축 - μm)의 함수로 도시한다.
도 3b는, 100 Hz-1 kHz의 스펙트럼 대역에서, 도 2a에 예시된 바와 같은 공동 내의 음향파의 정규화된 평균 진폭을 모델링한 결과를 공동의 응급 튜브의 길이(x-축 - mm) 및 공동의 직경(y-축 - μm)의 함수로서 도시한다.
도 3c는 도 2a에 개략적으로 도시된 그리고 도 2b에 도시된 전기 회로에 의해 모델링된 공동의 응급 튜브의 다양한 구성에 대한 주파수(x-축)의 함수로서, 도 2a에 도시된 바와 같은 공동 내의 음향파의 진폭(y-축)의 변화를 도시한다.
도 3a, 도 3b 및 도 3c에서, 공동의 체적은 5 μL와 동일하다.
도 4a는, 100 Hz-1 kHz의 스펙트럼 대역에서 도 2a에 도시된 바와 같은 공동 내의 음향파의 진폭의 상대적인 변화를 모델링한 결과를 공동의 응급 튜브의 길이(x-축 - mm)와 공동의 직경(y-축 - μm)의 함수로 도시한다.
도 4b는, 100 Hz-1 kHz의 스펙트럼 대역에서 도 2a에 도시된 바와 같이, 공동 내의 음향파의 정규화된 평균 진폭을 모델링한 결과를 공동의 응급 튜브의 길이(x-축 - mm) 및 공동의 직경(y-축 - μm)의 함수로 도시한다.
도 4c는 도 2a에 개략적으로 도시된 그리고 도 2b에 도시된 전기 회로에 의해 모델링된 공동의 응급 튜브의 다양한 구성에 대한 주파수(x-축)의 함수로서, 도 2a에 도시된 바와 같은 공동 내의 음향파의 진폭(y-축)의 변화를 도시한다.
도 4a, 도 4b 및 도 4c에서, 공동의 체적은 10 μL와 동일하다.
도 5a는, 100 Hz-1 kHz의 스펙트럼 대역에서 도 2a에 도시된 바와 같은 공동 내의 음향파의 진폭의 상대적인 변화를 모델링한 결과를 공동의 응급 튜브의 길이(x-축 - mm)와 공동의 직경(y-축 - μm)의 함수로 도시한다.
도 5b는, 100 Hz-1 kHz의 스펙트럼 대역에서, 도 2a에 예시된 바와 같은 공동 내의 음향파의 정규화된 평균 진폭을 모델링한 결과를 공동의 응급 튜브의 길이(x-축 - mm) 및 공동의 직경(y-축 - μm)의 함수로서 도시한다.
도 5c는 도 2a에 개략적으로 도시된 그리고 도 2b에 도시된 전기 회로에 의해 모델링된 공동의 응급 튜브의 다양한 구성에 대한 주파수(x-축)의 함수로서, 도 2a에 도시된 바와 같은 공동 내의 음향파의 진폭(y-축)의 변화를 도시한다.
도 5a, 도 5b 및 도 5c에서, 공동의 체적은 20 μL와 동일하다.
도 6a는, 100 Hz-1 kHz의 스펙트럼 대역에서 도 2a에 도시된 바와 같은 공동 내의 음향파의 진폭의 상대적인 변화를 모델링한 결과를 공동의 응급 튜브의 길이(x-축 - mm)와 공동의 직경(y-축 - μm)의 함수로 도시한다.
도 6b는, 100 Hz-1 kHz의 스펙트럼 대역에서, 도 2a에 예시된 바와 같은 공동 내의 음향파의 정규화된 평균 진폭을 모델링한 결과를 공동의 응급 튜브의 길이(x-축 - mm) 및 공동의 직경(y-축 - μm)의 함수로서 도시한다.
도 6c 및 도 6d는 도 2a에 개략적으로 도시된 그리고 도 2b에 도시된 전기 회로에 의해 모델링된 공동의 응급 튜브의 다양한 구성에 대한 주파수(x-축)의 함수로서, 도 2a에 도시된 바와 같은 공동 내의 음향파의 진폭(y-축)의 변화를 도시한다.
도 6a, 도 6b, 도 6c 및 도 6d에서, 공동의 체적은 50 μL와 동일하다.
도 7a, 도 7b, 도 7c, 도 7d, 도 7e, 도 7f, 도 7g 및 도 7h는 각각 도 3a, 3b, 4a, 4b, 5a, 5b, 6a 및 6b와 유사하지만, 더 큰 튜브-길이 범위(0 mm과 20 mm 사이의 변화)를 다룬다.
도 7I는 도 2a에 개략적으로 도시된 그리고 도 2b에 도시된 전기 회로에 의해 모델링된 공동의 응급 튜브의 다양한 구성에 대한 주파수(x-축)의 함수로서, 도 2a에 도시된 바와 같은 공동 내의 음향파의 진폭(y-축)의 변화를 도시한다. 도 7I에서, 튜브의 높이는 19 mm이고 공동의 체적은 50 μL이다.
도 2a는 모델링된 공동을 도시한다.
도 2b는 도 2a의 모델링된 공동의 등가 회로도를 도시한다.
도 3a는, 100 Hz-1 kHz의 스펙트럼 대역에서 도 2a에 도시된 바와 같은 공동 내의 음향파의 진폭의 상대적인 변화를 모델링한 결과를 공동의 응급 튜브(emergent tube)의 길이(x-축 - mm)와 공동의 직경(y-축 - μm)의 함수로 도시한다.
도 3b는, 100 Hz-1 kHz의 스펙트럼 대역에서, 도 2a에 예시된 바와 같은 공동 내의 음향파의 정규화된 평균 진폭을 모델링한 결과를 공동의 응급 튜브의 길이(x-축 - mm) 및 공동의 직경(y-축 - μm)의 함수로서 도시한다.
도 3c는 도 2a에 개략적으로 도시된 그리고 도 2b에 도시된 전기 회로에 의해 모델링된 공동의 응급 튜브의 다양한 구성에 대한 주파수(x-축)의 함수로서, 도 2a에 도시된 바와 같은 공동 내의 음향파의 진폭(y-축)의 변화를 도시한다.
도 3a, 도 3b 및 도 3c에서, 공동의 체적은 5 μL와 동일하다.
도 4a는, 100 Hz-1 kHz의 스펙트럼 대역에서 도 2a에 도시된 바와 같은 공동 내의 음향파의 진폭의 상대적인 변화를 모델링한 결과를 공동의 응급 튜브의 길이(x-축 - mm)와 공동의 직경(y-축 - μm)의 함수로 도시한다.
도 4b는, 100 Hz-1 kHz의 스펙트럼 대역에서 도 2a에 도시된 바와 같이, 공동 내의 음향파의 정규화된 평균 진폭을 모델링한 결과를 공동의 응급 튜브의 길이(x-축 - mm) 및 공동의 직경(y-축 - μm)의 함수로 도시한다.
도 4c는 도 2a에 개략적으로 도시된 그리고 도 2b에 도시된 전기 회로에 의해 모델링된 공동의 응급 튜브의 다양한 구성에 대한 주파수(x-축)의 함수로서, 도 2a에 도시된 바와 같은 공동 내의 음향파의 진폭(y-축)의 변화를 도시한다.
도 4a, 도 4b 및 도 4c에서, 공동의 체적은 10 μL와 동일하다.
도 5a는, 100 Hz-1 kHz의 스펙트럼 대역에서 도 2a에 도시된 바와 같은 공동 내의 음향파의 진폭의 상대적인 변화를 모델링한 결과를 공동의 응급 튜브의 길이(x-축 - mm)와 공동의 직경(y-축 - μm)의 함수로 도시한다.
도 5b는, 100 Hz-1 kHz의 스펙트럼 대역에서, 도 2a에 예시된 바와 같은 공동 내의 음향파의 정규화된 평균 진폭을 모델링한 결과를 공동의 응급 튜브의 길이(x-축 - mm) 및 공동의 직경(y-축 - μm)의 함수로서 도시한다.
도 5c는 도 2a에 개략적으로 도시된 그리고 도 2b에 도시된 전기 회로에 의해 모델링된 공동의 응급 튜브의 다양한 구성에 대한 주파수(x-축)의 함수로서, 도 2a에 도시된 바와 같은 공동 내의 음향파의 진폭(y-축)의 변화를 도시한다.
도 5a, 도 5b 및 도 5c에서, 공동의 체적은 20 μL와 동일하다.
도 6a는, 100 Hz-1 kHz의 스펙트럼 대역에서 도 2a에 도시된 바와 같은 공동 내의 음향파의 진폭의 상대적인 변화를 모델링한 결과를 공동의 응급 튜브의 길이(x-축 - mm)와 공동의 직경(y-축 - μm)의 함수로 도시한다.
도 6b는, 100 Hz-1 kHz의 스펙트럼 대역에서, 도 2a에 예시된 바와 같은 공동 내의 음향파의 정규화된 평균 진폭을 모델링한 결과를 공동의 응급 튜브의 길이(x-축 - mm) 및 공동의 직경(y-축 - μm)의 함수로서 도시한다.
도 6c 및 도 6d는 도 2a에 개략적으로 도시된 그리고 도 2b에 도시된 전기 회로에 의해 모델링된 공동의 응급 튜브의 다양한 구성에 대한 주파수(x-축)의 함수로서, 도 2a에 도시된 바와 같은 공동 내의 음향파의 진폭(y-축)의 변화를 도시한다.
도 6a, 도 6b, 도 6c 및 도 6d에서, 공동의 체적은 50 μL와 동일하다.
도 7a, 도 7b, 도 7c, 도 7d, 도 7e, 도 7f, 도 7g 및 도 7h는 각각 도 3a, 3b, 4a, 4b, 5a, 5b, 6a 및 6b와 유사하지만, 더 큰 튜브-길이 범위(0 mm과 20 mm 사이의 변화)를 다룬다.
도 7I는 도 2a에 개략적으로 도시된 그리고 도 2b에 도시된 전기 회로에 의해 모델링된 공동의 응급 튜브의 다양한 구성에 대한 주파수(x-축)의 함수로서, 도 2a에 도시된 바와 같은 공동 내의 음향파의 진폭(y-축)의 변화를 도시한다. 도 7I에서, 튜브의 높이는 19 mm이고 공동의 체적은 50 μL이다.
도 1a는 본 발명이 구현될 수 있게 하는 장치(1)를 개략적으로 도시한다. 장치(1)는 분석 대상 매체(2)에 대해서 적용되도록 구성된다. 장치는, 분석 대상 매체에 대해서 적용되도록 의도된, 접촉면(3)을 포함한다. 접촉면은 가압되도록 의도되는 매체와 일치하도록 설계된다. 접촉면은 예를 들어 평면형이다. 이 예에서, 매체(2)는 사용자의 피부이다. 장치는, 분석 대상 매체(2)로 전파되는 광파(11)를 방출하도록 구성된 광원(10)을 포함한다. 광원(10)은 펄스화되거나 진폭-변조된다. 광파(11)는 매체 내에 존재하는 분석물(4)의 흡수 파장(λa)을 포함하는 방출 스펙트럼 대역(Δλ)에서 방출된다. 장치(1)의 하나의 목적은 분석물(4)의 존재를 검출하고 잠재적으로는 그 농도를 추산하는 것이다.
분석물(4)은 체액 내에 존재하는 분자일 수 있다. 이는 예를 들어 글루코스, 또는 콜레스테롤, 트리글리세리드, 요소, 알부민, 알코올(예를 들어, 에탄올), 또는 테트라히드로칸나비놀과 같은 신체 분석물(bodily analyte)의 문제일 수 있다.
방출 스펙트럼 대역은 바람직하게는 가시 범위 또는 적외 범위에 있고, 예를 들어 3 μm 내지 15 μm의 파장 사이에서 연장된다. 바람직하게는, 방출 스펙트럼 대역(Δλ)은 장치(1)가 단일 분석물에 특화되기에 충분히 좁다. 예를 들어, 방출 스펙트럼 대역의 폭은 약 0.1 μm 이다. 분석물이 글루코스일 때, 방출 스펙트럼 대역은 글루코스의 흡수 파장, 예를 들어 1034 cm-1의 파수(wavenumber)에 대응하는 파장에 집중된다. 광원(10)은 특히 펄스화된 레이저 공급원일 수 있고, 예를 들어 파장-조율가능 양자 캐스케이드 레이저(QCL) 일 수 있다. 이어서, 방출 스펙트럼 대역(Δλ)은 적외 범위 내에 위치된다.
다른 실시예에 따르면, 광원은 필라멘트계 공급원 또는 발광 다이오드일 수 있다. 이 실시예에 따르면, 해당 흡수 파장에 집중된 충분히 좁은 방출 스펙트럼 대역을 형성하기 위해 광원을 대역 필터와 연계시키는 것이 바람직하다. 그러나, 레이저 공급원에 의존하는 것이 바람직하다.
도 1a에 도시된 실시예에서, 장치(1)는, 광원에 의해 방출된 광파(11)를 분석 대상 매체(2)를 향해서 편향시키도록 구성된 광학적 구성요소(15)를 포함한다.
장치(1)는 분석 대상 매체(2)에 대해서 적용되도록 의도된다. 이는, 매체와 접촉하도록 배치되고 공동(20)을 형성하는 격납 쉘(21)을 포함한다. 공동(20)은 매체(2) 상으로 돌출하도록 접촉면(3)에 생성되는 제1 개구(22) 상으로 돌출한다. 입사광파(11)는, 광학적 구성요소(15)에 의해 반사된 후에, 공동(20)을 통해서 그리고 제1 개구(22)를 통해서 매체(2)로 전파된다. 장치는 입사광파(11)를 투과시키도록 구성되는 투명창(17)을 포함한다.
도 1a에 도시된 장치에서, 광학적 구성요소(15)는 반사 프리즘의 형태를 취하는 반사체이다. 이는 홀더(15')에 의해 장치의 커버(31)에 연계된다. 다른 실시예에서, 광학적 구성요소(15)는 입사광파(11)가 수직 또는 실질적인 수직 입사로 매체(2)에 도달하도록 곡선을 묘사하는 광섬유일 수 있다. 실질적인 수직은 ± 30° 의 각도 공차 내에 수직인 것을 의미한다.
매체(2) 내의 분석물(4)의 존재의 영향 하에서, 광음향파(12)가 형성된다. 광음향파(12)는 입사광파(11)에 의한 매체의 주기적인 가열의 결과로서 형성된 음향파이고, 입사광파는 펄스화되거나 진폭-변조된다. 광음향파(12) 중 일부는 음향 변환기(28)에 의해 검출되도록 공동(20)을 통해 연장한다. 음향 변환기(28)는 음향 채널(25)에 의해 공동(20)에 연계된다. 음향 변환기는 광음향파의 주파수를 포함하는 검출 스펙트럼 범위를 갖는 마이크로폰일 수 있다.
간행물 ["인간 피부 내 글루코스의 중적외 광음향 검출(Mid-infrared photoacoustic detection of glucose in human skin): 비침습성 진단 지향(towards non-invasive diagnostics)", Kottmann, Sensors 2016, 16, 1663](이 간행물은 이후 "Kottmann 2016"으로 지칭됨)에서 언급된 바와 같이, 공동(20)의 체적(V)와 주파수(f)에서의 광음향파의 진폭(A) 사이에 관계가 아래와 같이 성립될 수 있다:
여기서:
- ∝는 비례성을 나타내고,
- 
는 파장(λ)에서의 입사광파의 세기이고;
- 
는 파장(λ)에서의 분석된 매체의 흡수 계수이다.
- V는 적절한 경우에 음향 채널을 포함하는 공동의 체적이고;
- f는 음향파의 주파수이다.
광파의 주파수(f) 및 세기(
)가 설정될 때, 음향 변환기에 의해 검출된 광음향파(A)의 진폭은 매체의 흡수 계수(
)에 비례한다. 후자는 매체 내의 분석물의 농도에 비례하는 것으로 간주될 수 있다. 따라서, 음향 변환기(28)로 진폭(A)을 측정하면, 매체의 흡수 계수(
)의 추산을 통해, 매체 내의 분석물의 농도를 추산할 수 있게 된다.
식(1)은 매체(2)의 두께(L)가 다음과 같은 것으로 상정한다:
여기서:
- 
는 광학 침투의 깊이이고,
는 다음과 같다:
- 
는 열확산 길이이고,
식(4)에서, D는 열확산 계수이고,
여기서:
- ρ는 매체의 밀도이고;
- C는 매체의 열용량이고;
- k는 매체의 열전도도이다.
식(1)에 따르면, 저주파수를 사용하면 광음향파(12)의 진폭을 증가시킬 수 있다. 따라서, 본 발명자들은 매체(2)가 생물학적 조직일 때 광음향파의 주파수가 1 kHz 미만, 바람직하게는 500 Hz 미만인 것이 유리하다고 결론지었다. 이는 바람직하게는 50 Hz와 500 Hz 사이에서 구성된다.
또한, 주파수(f)를 감소시키면 열확산 길이(
)가 증가시킬 수 있다는 것을 식(4)으로부터 명확하게 알 수 있다. 이로 인해, 매체를 더 깊게 조사할 수 있다.
분석물(4)이 글루코스 또는 혈액에 의해 운반되는 다른 영양소일 때, 분석물의 농도가 결정되는 깊이를 증가시키는 것이 유리하다. 구체적으로, 광음향 검출은 큰 깊이, 예를 들어 밀리미터-스케일 깊이에 도달할 수 없다. 그러나, 이러한 깊이에 모세관이 놓여있다. 광음향 검출에서, 글루코스 농도는 모세관과 표피의 세포 사이에 있는 간질액 내의 글루코스의 농도를 추산함으로써 간접적으로 추산된다. 간질액 내의 글루코스 농도는 혈액 내의 글루코스 농도를 따르고, 그 사이의 시간 지연(time lag)은 약 20분인 것으로 확인되었다. 매체(2)가 검사되는 깊이를 증가시킴으로써, 혈액 내의 글루코스 농도와 식(1)을 사용하여 추산된 농도 사이의 시간 지연이 감소된다.
식(1)에 따르면, 광음향파의 진폭을 증가시키기 위해 공동(20)의 체적은 작아야 한다. 그러나, 공동의 체적이 작을수록, 주파수(f)가 커진다.
식(1)으로 인해, 주파수(f)를 주시하는 상태에서 체적을 감소시키기 위해서는 절충이 필요한데, 그 목적은 본 방법의 민감도(sensitivity)를 향상시키기 위해 광음향파의 진폭을 증가시키는 것이다.
본 발명자들은 1과 50 μL, 바람직하게는 5와 30 μL 사이에서 구성되는 작은 체적의 공동(20)을 설계함으로써 만족스러운 절충에 도달했다. 격납 쉘(21)은 공동(20)의 경계를 형성하는 중실(solid) 내부 벽(23)을 포함한다. 내부 벽은 다음을 포함한다:
- 바람직하게는, 접촉면(3)에 수직인 Z-축에 평행하게 연장하는 측방향 구성요소(231).
- 접촉면(3)에 평행하게 또는 실질적으로 평행하게 연장하고 접촉면과 대면하는 횡방향 구성요소(232). 횡방향 구성요소(232)는 제1 개구(22)에 평행하게 또는 실질적으로 평행하게 연장한다. 도 1a 및 도 1b에 도시된 실시예에서, 횡방향 구성요소(232)는 창(17)을 포함한다.
실질적으로 평행이라는 것은, ±30° 또는 ±20°의 각도 공차 내에 평행하다는 것을 의미한다. 측방향 구성요소(231)는 접촉면(3)과 횡방향 구성요소(232) 사이에서 연장한다.
장치는 공동(20)으로부터 연장되어 공동(20) 외측의 공기 내로 돌출하는 튜브(26)를 포함한다. 튜브(26)는 개구를 형성하고, 이를 통해 공동(20)이 실내압(room pressure)에서 공동 외측의 공기와 접촉한다. 튜브(26)는 길이(l)에 걸쳐 연장하고 직경(Φ)의 단면을 갖는다. 도 1a에서, 튜브(26)는 내부 벽의 횡방향 구성요소(232)를 통해 연장한다. 도 1b에서, 튜브(26)는 내부 벽의 측방향 구성요소(231)를 통해 연장한다.
도 1a에 도시된 구성에서, 튜브(26)는 커버(31)에 의해 경계형성되는 공간(30) 내로 돌출한다. 커버(31)는 장치(1)의 외측 공기(5)와의 소통을 허용하는 적어도 하나의 오리피스(32)를 포함한다. 도 1b에 도시된 구성에서, 튜브(26)는 장치(1)의 외측 공기 상으로 직접 돌출한다. 따라서, 튜브(26)는 직접적으로 또는 간접적으로 외측 공기(5) 상으로 돌출한다.
본 발명의 중요한 요소는, 튜브(26)의 기하형태가 변경되는 경우 공동(20)의 스펙트럼 응답(spectral response)이 변경된다는 것을 본 발명자들이 관찰했다는 것이다. 본 발명자들은 100 Hz와 1000 Hz 사이에서 가능한 균일한 스펙트럼 응답을 얻는 것을 목적으로 설정하였다. 스펙트럼 응답이란, 주파수의 함수로서, 공동 내의 음향압(acoustic pressure)의 진폭을 의미한다.
본 발명자들은 도 2a에 도시된 바와 같은 공동을 고려하였다. 도 2a에 도시된 치수 
,ε, 
는 각각 2.6 mm, 1.2 mm 및 1.5 mm이다.
이러한 공동은 등가 회로도에 의해 모델링될 수 있다는 것은 공지의 사실이다. 이로 인해, 간행물 ["인피니언 실리콘 MEMS 마이크로폰(The Infineon Silicon MEMS microphone)" Dehie A.등, AMA conferences 2013 - Sensor 2013, Opto 2013]에 기재된 바와 같이, 음향파의 존재의 영향 하에서 공동 내측의 압력을 시뮬레이션할 수 있다.
도 2b는 도 2a에 도시된 공동의 등가 회로도를 도시한다. 여기 음향파에 의한 여기는 여기 주파수에서 진폭-변조된 전류 공급원(I0)에 의해 모델링된다. 공동의 응답, 즉 공동 내의 음향파의 진폭은 전압(U)에 대응하는데, 이 전압도 역시 여기 주파수에서 진폭-변조된다.
P0이 공동 내의 음향파의 압력인 경우, 전류(I0)는 다음의 식에 따라 레이저의 출력에 따라 결정된다:
여기에서 γ는 공기의 단열 계수이고, Plaser는 레이저의 파워이다.
μs는 식(4)에 관해 설명된 열확산 길이이고;
α는 단위 길이당 흡수 계수이다.
공동의 영향은 커패시터(C2)에 의해 다음과 같이 모델링된다:
여기서, V는 적절한 경우에 음향 채널(25)을 포함하는 공동(20)의 체적이다.
튜브(26)의 영향은 커패시터(C2)에 병렬로 연결된 커패시터(C1) 및 저항기(R1)와 직렬로 연결된 인덕터(L1)에 의해 모델링되며, 이는 다음과 같다:
여기서, l과 S는 각각 튜브(26)의 길이와 단면적에 대응한다.
여기서 
는 공기의 밀도에 대응한다.
여기서, μ는 공기의 점도에 대응한다.
본 발명자들은 102 Hz와 104 Hz 사이에서 구성되는 레이저 변조 주파수와 1 mW와 동일한 레이저 파워(Plaser)을 고려하면서 도 2b에 개략적으로 도시된 모델을 사용하였다. 본 발명자들은 레이저 변조 주파수에서 변조되는 전압(U)의 진폭이 추산하였다. 이는 공동 내의 압력을 대표하는 것으로 간주된다. 다양한 여기 주파수를 고려한 전압(U)의 계산으로, 공동(20)의 스펙트럼 응답을 성립할 수 있다.
본 발명자들은 각각 5 μL, 10 μL, 20 μL 및 50 μL와 동일한 4개의 상이한 공동 체적을 연속적으로 고려하였다. 각각의 체적에 대해, 본 발명자들은 튜브의 직경 및 길이 변경이 공동 내 스펙트럼 응답에 미치는 영향을 연구하였다. 각각의 모델링된 구성의 성능은 이하를 고려하여 검사되었다:
- 100 Hz 내지 1 kHz의 스펙트럼 대역 내 상대 압력 변화(ΔP0): 이는 다음의 식에 대응한다:
여기서, 
, 
및 
은 각각 100 Hz 내지 1 kHz의 스펙트럼 대역 내 최대 압력, 최소 압력 및 평균 압력이다. 가능한 최소의 상대 압력 변화를 구하는 것이 목적이다.
- 폐쇄된 공동, 즉 튜브(26)가 없는 공동이 사용될 때 얻어진 평균 압력에 의해 정규화된 평균 압력. 정규화된 평균 압력은 
으로 표시된다. 이는 다음과 같다:
여기에서 
및 
각각은 100 Hz 내지 1 kHz의 스펙트럼 대역 내에서 모델링된 공동 내 평균 압력과, 동일한 스펙트럼 대역 내에서 크기는 동일하지만 폐쇄된 공동 내의 평균 압력이다. 정규화된 평균 압력은 검출된 신호의 크기를 나타내고, 측정의 민감도의 지표에 대응한다. 이는 가능한 높은 것이 바람직하다.
도 3a 및 도 3b는 각각, 튜브(26)의 길이(x-축 - 단위 mm) 및 튜브의 직경(y-축 - 단위 μm)의 함수로서 상대 압력 변화(
) 및 정규화된 평균 압력(
)을 도시한다. 공동의 체적은 5 μL이다. 각각의 도면에서, 해당 양의 값은 그레이스케일 수준(greyscale level)에 대응한다. 도 3c는 각각 110 μm, 220 μm 및 440 μm와 동일한 다양한 튜브 직경에 대해서, 5 μL와 동일한 공동 체적, 10 mm의 튜브 길이를 고려하여 모델링된 스펙트럼 응답을 도시한다. 튜브의 길이가 3 mm 또는 5 mm보다 크고 튜브의 직경이 150 μm와 300 μm 사이일 때 최적의 성능(낮은 
값 및 높은 
값)이 얻어진다는 것을 알 수 있다.
도 3c의 분석은, 튜브의 직경이 작을 때(110 μm), 스펙트럼 응답이 폐쇄된 공동의 스펙트럼 응답에 근접한다는 것을 보여준다. 직경이 220 μm에 도달할 때, 스펙트럼 응답은 비교적 "편평한" 것으로, 즉, 100 Hz와 1000 Hz 사이에서 구성되는 스펙트럼 대역에서 균일한 것으로 간주될 수 있는데, 이는 원하는 목표에 대응한다. 압력 P0의 값은 용이하게 측정가능하도록 충분히 높다. 직경이 더 증가되면(360 μm), 공동의 스펙트럼 응답은 공진 피크의 출현(appearance)과 함께 공진 공동(resonant cavity)의 스펙트럼 응답에 근접한다. 압력(P0)의 값은 감소하여, 측정을 더 어렵게 한다.
도 4a, 도 4b 및 도 4c는 도 3a, 도 3b 및 도 3c와 각각 유사하지만, 고려된 공동 체적은 10 μL과 동일하다. 도 4c에서, 해당 튜브의 직경은 120 μm, 240 μm 및 360 μm 이고, 그 길이는 9.4 mm이다. 이로부터, 튜브의 길이가 3 mm 또는 5 mm를 초과하고 튜브의 직경이 150 μm와 300 μm 사이에서 구성될 때 최적의 성능(낮은 
값 및 높은 
값)이 얻어지는 것으로 추정될 수 있다.
도 5a, 도 5b 및 도 5c는 도 3a, 도 3b 및 도 3c와 각각 유사하지만, 고려된 공동 체적은 20 μL와 동일하다. 도 5c에서, 해당 튜브의 직경은 140 μm, 280 μm 및 560 μm이고, 그 길이는 9.6 mm이다. 이로부터, 튜브의 길이가 2 mm 또는 5 mm를 초과하고 튜브의 직경이 200 μm와 350 μm 사이에서 구성될 때 최적의 성능(낮은 
값 및 높은 
값)이 얻어지는 것으로 추정될 수 있다.
도 6a, 도 6b 및 도 6c는 도 3a, 도 3b 및 도 3c와 각각 유사하지만, 고려된 공동 체적은 50 μL와 동일하다. 도 6c에서, 해당 튜브의 직경은 170 μm, 340 μm 및 680 μm이고, 그 길이는 9.4 mm이다. 도 6d는 각각 160 μm, 320 μm 및 640 μm과 동일한 다양한 튜브 직경에 대해서, 50 μL와 동일한 공동 체적, 5 mm의 튜브 길이를 고려하여 모델링된 스펙트럼 응답을 도시한다.
도 6a 내지 6d로부터, 튜브의 길이가 1 mm 또는 5 mm를 초과하고 튜브의 직경이 250 μm와 500 μm 사이에서 구성되는 경우, 최적의 성능(낮은 
값 및 높은 
값)이 얻어진다는 것이 추론될 수 있다.
도 7a, 도 7b, 도 7c, 도 7d, 도 7e, 도 7f, 도 7g 및 도 7h는 각각 도 3a, 3b, 4a, 4b, 5a, 5b, 6a 및 6b와 유사하지만, 더 큰 튜브-길이 범위(0 mm과 20 mm 사이의 변화)를 다룬다. 이러한 도면은 전술한 튜브-직경 값의 범위가 적어도 20 mm의 튜브 길이(l)에 적용된다는 것을 보여준다. 도 7i는 각각 200 μm, 400 μm 및 800 μm과 동일한 다양한 튜브 직경에 대해서, 50 μL과 동일한 공동 체적, 19 mm의 튜브의 길이를 고려하여 모델링된 스펙트럼 응답을 도시한다. 도 6c 및 도 6d의 경우와 마찬가지로, 튜브의 길이가 19 mm일 때 250 μm와 500 μm 사이에서 구성되는 튜브 직경에 대해 최적의 성능(낮은 
값 및 높은 
값)이 얻어진다는 것을 알 수 있다.
대체로, 해당 체적과 관계 없이, 튜브의 직경이 작으면, 스펙트럼 응답은 폐쇄된 공동의 스펙트럼 응답에 근접한다. 튜브의 직경이 크면, 공동의 스펙트럼 응답은 공진 피크의 출현과 함께 공진 공동의 스펙트럼 응답에 도달한다. 전술한 직경 및 길이 범위는 폐쇄된 공동의 스펙트럼 응답과 공진 공동의 스펙트럼 응답 사이에서 비교적 편평한 스펙트럼 응답에 대응한다.
수행된 모델링에 기초하여, 본 발명자들은 다양한 공동-체적 범위에 대해 튜브의 최적의 치수를 결정하였다:
- 공동의 체적이 15 μL 이하일 때, 튜브의 직경은 150 μm와 300 μm 사이에서 구성될 수 있다.
- 공동의 체적이 15 μL와 30 μL 사이에서 구성될 때, 튜브의 직경은 200 μm와 350 μm 사이에서 구성될 수 있다.
- 공동의 체적이 30 μL보다 클 때, 튜브의 직경은 250 μm와 500 μm 사이에서 구성될 수 있다.
체적과 무관하게, 튜브의 길이는 1 mm를 초과하거나 또는 3 mm 초과하는 것이 바람직하다. 튜브의 길이는 20 mm 미만인 것이 바람직하다.
도 1a 및 1b에 도시된 실시예에서, 광원(10)은 기판 상에 형성된 QCL 레이저 공급원이다. 설계를 단순하게 하기 위해, 광원에 의해 방출되는 광파는 상기 파가 형성되는 기판의 평면에 평행하게 연장하는 것이 바람직하다. 장치는 입사광파(11)의 전부 또는 일부를 제1 개구(22)를 향해 지향시키기 위한 광학적 구성요소(15)를 포함한다. 광학적 구성요소는 반사체 또는 광섬유일 수 있다.
QCL 레이저 공급원의 최적의 작동 온도는 대체로 30℃과 40℃ 사이에서 구성된다. 장치가 살아있는 사용자의 피부에 대해 적용될 때, 사용자의 체열은 QCL 레이저 공급원의 열원으로써 사용될 수 있다. 이어서, 장치는 홀더(16)를 포함하고, 그러한 홀더에 대해서 레이저 공급원(10)이 배치된다. 홀더(16)는 사용자의 피부와 접촉하도록 구성된다. 홀더는 열전도에 관하여 양호한 특성을 갖는 재료, 예를 들어, 금속, 특히 구리 또는 알루미늄으로 이루어진다. 홀더(16)는 접촉면(3)과 광원(10) 사이에서 연장된다. Z-축을 따르는 홀더(16)의 두께는 예를 들어 1 mm과 10 mm 사이에서 구성된다. 따라서, 홀더(16)는 사용자의 피부와 광원 사이에서 열 버퍼로서 작용한다.
본 발명은 가능하게는 매체 내의 분석물의 존재를 검출하기 위해 채용될 것이고, 그러한 분석물은 가능하게는 사용자의 피부이다. 이를 위해, 다음의 단계가 적용될 것이다:
- 접촉면이 매체에 대해서 유지되도록, 장치를 매체에 대해서 적용하는 단계;
- 활성화 주파수 또는 변조 주파수에서 광원을 활성화시키는 단계;
- 광원의 활성화 또는 변조 주파수와 동일한 음향 주파수에서, 입사광파의 영향 하에서, 매체에 의해 방출되는 광음향파를 검출하는 단계;
- 음향파의 진폭을 측정하는 단계로서, 이는 식(1)을 참조하여 설명된 진폭(A)을 추산하는 것에 해당하는 진폭 측정 단계;
- 분석물의 존재를 검출하고 그리고/또는 측정된 진폭으로부터 매체 내의 분석물의 농도를 추산하는 단계. 이 단계는 식(1)을 참조하여 설명된 흡수 계수(α)를 추산함으로써 수행되고, 분석물 농도와 흡수 계수 사이의 관계는 공지되어 있다.
Claims (10)
- 접촉면(3)을 통해서, 분석 대상 매체에 대해 적용되도록 의도된 광음향 검출 장치(1)로서, 상기 장치는
- 제1 개구(22) 상으로 돌출하는 중공 공동(20)으로서, 제1 개구는 접촉면 내에 생성되는, 중공 공동(20);
- 방출 스펙트럼 대역(Δλ) 내에서, 입사광파(11)를 공동(20)을 통해서 제1 개구로 방출하도록 구성되는 펄스화 또는 진폭-변조된 광원(10);
- 공동에 연계되며 공동을 통해서 연장되는 광음향파(12)를 검출하도록 구성되는 음향 변환기(28)를 포함하여;
매체의 조명의 영향 하에서, 입사광파에 의해, 음향 변환기가 매체(2)의 가열에 의해 생성되는 음향파를 검출하는, 광음향 검출 장치(1)에 있어서,
상기 장치는:
- 공동(20)의 체적이 50 μL보다 작고;
- 상기 장치는, 1 mm와 20 mm 사이에서 구성되는 길이에 걸쳐, 공동(20)과 공동 외측에 놓이는 공기 사이에서 연장되는 개방 튜브(26)를 포함하고, 상기 튜브의 직경은:
● 공동의 체적이 15 μL 이하일 때, 상기 튜브의 직경은 150 μm와 300 μm 사이에서 구성되고;
● 공동의 체적이 15 μL와 30 μL 사이에서 구성될 때, 상기 튜브의 직경은 200 μm와 350 μm 사이에서 구성되고;
● 공동의 체적이 30 μL보다 큰 경우, 상기 튜브의 직경은 250 μm 와 500 μm 사이에서 구성되는 것을 특징으로 하는, 광음향 검출 장치. - 제1항에 있어서,
- 공동은 횡방향 벽(231) 및 측방향 벽(232)에 의해 경계형성되고, 측방향 벽은 횡방향 벽과 접촉면 사이에서 연장되고;
- 튜브는 횡방향 벽을 또는 측방향 벽을 통해 연장하는, 광음향 검출 장치. - 제1항에 있어서, 음향 변환기(28)와 공동(20) 사이에서 연장하는 음향 채널(25)을 포함하는, 광음향 검출 장치.
- 제1항에 있어서, 광원(10)에 의해 방출된 입사광파(11)를 제1 개구(22)로 지향시키도록 구성되는 광학적 구성요소(15)를 포함하는, 광음향 검출 장치.
- 제4항에 있어서, 광학적 구성요소는 반사체인, 광음향 검출 장치.
- 제4항 또는 제5항에 있어서, 광원은 레이저 공급원인, 광음향 검출 장치.
- 제6항에 있어서, 광원은 레이저 공급원이고, 상기 장치는 접촉면(3)으로부터 광원(10)으로 연장하는 홀더(16)를 포함하고, 홀더는 분석된 매체에 의해 방출된 열을 광원으로 전도하도록 구성되는, 광음향 검출 장치.
- 제7항에 있어서, 홀더는 예를 들어 열전도성 금속, 구리 또는 알루미늄을 포함하는, 광음향 검출 장치.
- 제1항에 있어서, 공동의 체적은 20 μL 미만인, 광음향 검출 장치.
- 매체 내의 분석물의 농도를 추산하기 위한 방법이며,
a) 접촉면(3)이 매체에 대해서 유지되도록 매체(2)에 대해서 제1항에 따른 장치(1)를 적용하는 단계;
b) 광원(10)을 활성화시키는 단계로서, 광원은, 분석물의 흡수 파장에 대응하는 파장으로, 활성화 또는 변조 주파수에서 펄스화되거나 진폭-변조되는 입사광파를 방출하는, 단계;
c) 광원의 활성화 주파수와 동일한 음향 주파수로, 입사광파의 영향 하에서 매체에 의해 방출되는 음향파(12)를 검출하는 단계;
d) 음향파의 진폭을 측정하는 단계;
e) 단계 d)에서 측정된 진폭으로부터 매체 내의 분석물의 존재를 검출하고 그리고/또는 매체 내 분석물의 농도를 추산하는 단계를 포함하는, 매체 내의 분석물의 농도 추산 방법.
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