KR20230084874A - Magnetodynamic optical device for high-sensitivity target material concentration measurement and target material concentration measurement method using the same - Google Patents

Magnetodynamic optical device for high-sensitivity target material concentration measurement and target material concentration measurement method using the same Download PDF

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Abstract

본 발명은 고감도 표적물질 농도 측정을 위한 자기동역학 광학장치 및 이를 이용한 표적물질 농도 측정방법에 관한 것으로 더욱 상세하게는 자성을 가지는 표적시료에 일정 주기로 변조되는 자기장을 인가하면서 변화되는 스펙클 영상정보를 측정함에 따라 화학적 전처리 과정 없이 표적시료의 정량적인 농도를 고민감도로 측정할 수 있는 고감도 표적물질 농도 측정을 위한 자기동역학 광학장치 및 이를 이용한 표적물질 농도 측정방법에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은 자성을 가지며 표적물질을 포함하는 표적시료가 안착되는 안착수단; 상기 표적시료에 자기장을 형성시키는 자기장 발생장치; 상기 표적시료에 탐지광을 조사하는 광원; 상기 표적시료를 경유하여 수집된 탐지광을 통해 스펙클 영상 정보를 생성하는 카메라; 및 상기 자기장 발생장치의 자기장 방향이 주기적으로 변화되도록 자기장 발생장치를 제어하고, 상기 카메라로부터 일정 시간동안 스펙클 영상 정보를 전달받아 적어도 일부 영역의 픽셀의 주기적인 자기장 변화에 의한 신호를 분석하여 표적시료의 농도를 산출하는 제어부;를 포함한다.The present invention relates to a magnetodynamic optical device for measuring the concentration of a target substance with high sensitivity and a method for measuring the concentration of a target substance using the same, and more particularly, speckle image information that changes while applying a magnetic field modulated at a regular period to a target sample having magnetism. It relates to a magnetodynamic optical device for measuring the concentration of a target substance with high sensitivity, which can measure the quantitative concentration of a target sample with high sensitivity without a chemical pretreatment process according to the measurement, and a method for measuring the concentration of a target substance using the same.
To this end, the present invention has a magnet, and the target sample including the target material is seated on the seating means; a magnetic field generator for generating a magnetic field in the target sample; a light source for radiating detection light to the target sample; a camera generating speckle image information through detection light collected via the target sample; and controlling the magnetic field generating device so that the direction of the magnetic field of the magnetic field generating device is periodically changed, receiving speckle image information from the camera for a certain period of time and analyzing a signal caused by the periodic magnetic field change of pixels in at least a part of the area to target the target. It includes; a controller for calculating the concentration of the sample.

Description

고감도 표적물질 농도 측정을 위한 자기동역학 광학장치 및 이를 이용한 표적물질 농도 측정방법{Magnetodynamic optical device for high-sensitivity target material concentration measurement and target material concentration measurement method using the same}Magnetodynamic optical device for high-sensitivity target material concentration measurement and target material concentration measurement method using the same}

본 발명은 고감도 표적물질 농도 측정을 위한 자기동역학 광학장치 및 이를 이용한 표적물질 농도 측정방법에 관한 것으로 더욱 상세하게는 자성을 가지는 표적시료에 일정 주기로 변조되는 자기장을 인가하면서 변화되는 스펙클 영상정보를 측정함에 따라 화학적 전처리 과정 없이 표적시료의 정량적인 농도를 고민감도로 측정할 수 있는 고감도 표적물질 농도 측정을 위한 자기동역학 광학장치 및 이를 이용한 표적물질 농도 측정방법에 관한 것이다. The present invention relates to a magnetodynamic optical device for measuring the concentration of a target substance with high sensitivity and a method for measuring the concentration of a target substance using the same, and more particularly, speckle image information that changes while applying a magnetic field modulated at a regular period to a target sample having magnetism. It relates to a magnetodynamic optical device for measuring the concentration of a target substance with high sensitivity, which can measure the quantitative concentration of a target sample with high sensitivity without a chemical pretreatment process according to the measurement, and a method for measuring the concentration of a target substance using the same.

표적물질을 측정하는 방법은 현재 다양하게 개시되어 있다. Methods for measuring the target material are currently variously disclosed.

일반적으로 가장 많이 적용되는 것이 진단 키트와 같은 바이오 센서인데, 특정 표적물질에만 반응하는 진단 키트를 통해 표적물질을 포함하는 표적시료인 혈액이나 소변 등으로 현재 몸 상태나 질병의 유무를 신속하게 진단할 수 있다. In general, biosensors such as diagnostic kits are most commonly applied. Through diagnostic kits that react only to a specific target substance, the current body condition or the presence or absence of a disease can be quickly diagnosed with a target sample such as blood or urine containing the target substance. can

이러한 진단 키트는 키트 내 시트에 혈액이나 소변이 흡수되면 혈액이나 소변에 포함된 호르몬, 단백질 또는 그 밖에 다른 물질이 시트와 반응하여 진단 여부를 확인할 수 있게 된다.In such a diagnosis kit, when blood or urine is absorbed into a sheet in the kit, hormones, proteins, or other substances contained in the blood or urine react with the sheet to confirm diagnosis.

특정 표적물질에 접촉되면 붉은색의 띠가 형성되는 식으로 육안으로 쉽게 확인할 수 있도록 시트에 표시가 되기 때문에 혈액 또는 소변이 진단 키트와 반응하는 것을 보고 일반인들도 충분히 건강상태를 파악할 수 있다. When it comes into contact with a specific target substance, a red band is formed on the sheet so that it can be easily checked with the naked eye, so that the general public can fully understand the health condition by seeing blood or urine react with the diagnostic kit.

이와 같은 진단 키트의 대표적인 예로는 가정용 임신 진단 키트, 혈당 진단 키트 및 응급실용 에이즈 진단 키트 등이 있으며, 이밖에도 각종 암이나 다른 질병에도 반응하는 진단 키트가 지속적으로 개발 및 출시되고 있는 실정이다.Representative examples of such diagnostic kits include a home pregnancy diagnostic kit, a blood sugar diagnostic kit, and an AIDS diagnostic kit for emergency rooms. In addition, diagnostic kits that respond to various cancers or other diseases are continuously being developed and released.

예를 들어, 한국 등록특허공보 제10-1416475호(등록일자: 2014.07.01)은 암 환자에서 정상인과 차별적으로 발현되는 혈청 단백질을 포함하는 암 마커 폴리펩티드, 상기 암 마커 폴리펩티드를 항원으로 하여 제조되는 항체, 이를 이용하는 암 진단방법 및 암 진단 키트에 관한 것이다.For example, Korean Patent Registration Publication No. 10-1416475 (Registration date: 2014.07.01) discloses a cancer marker polypeptide comprising a serum protein that is differentially expressed in a cancer patient from a normal person, and prepared using the cancer marker polypeptide as an antigen. It relates to an antibody, a cancer diagnosis method using the same, and a cancer diagnosis kit.

그러나 이러한 진단 키트는 표적물질의 양이 극소량이거나 다수의 물질이 섞여있는 경우에는 반응이 제대로 일어나지 않아 육안으로 구별하기 어려운 미묘한 변화가 발생하기도 한다.However, these diagnostic kits do not react properly when the amount of the target substance is very small or when a large number of substances are mixed, and subtle changes that are difficult to distinguish with the naked eye may occur.

아울러 이와 같은 진단 키트의 경우 표적물질의 존재 여부는 알 수 있으나, 해당 표적물질의 농도는 측정할 수 없다.In addition, in the case of such a diagnostic kit, the presence or absence of a target substance can be known, but the concentration of the target substance cannot be measured.

현재 표적물질이 항원인 경우 표적물질의 농도를 측정하기 위한 방법으로 면역측정법을 이용한 정량 바이오 센서가 있다. Currently, there is a quantitative biosensor using immunoassay as a method for measuring the concentration of a target substance when the target substance is an antigen.

이러한 정량 바이오 센서의 경우 크게 두 가지 방법으로 측정된다. 하나는 금나노입자를 이용하는 방법이다. 이러한 방법은 항체를 붙인 금나노입자가 항원과 결합 후 측정라인(테스트 라인)의 항체와 결합에 의해 생기는 금 띠의 진한 정도를 CCD 카메라로 픽셀단위로 이미징화하여 수치화하거나 금띠가 생기기 전의 시그널과 생긴 후의 시그널 차이에 의해 수치화하여 정량하는 방법이다. 또 다른 방법은 형광입자를 이용하는 방법이다. 이러한 방법은 항체를 붙인 형광의 성질을 가진 입자가 항원과 결합 후 측정라인(테스트 라인)의 항체와 반응시킨 후, 특정파장 조사 시 나타나는 형광의 양을 측정하여 수치화하여 정량하는 방법이다. 그러나, 상기와 같은 종래의 기술의 경우 측정하고자 하는 항원의 양이 적을 경우 반응하는 금나노입자 또는 형광입자의 양이 적어서 반응을 수치화시 측정이 불가능하여 정확도 및 신뢰성에 영향을 미칠 수 있다. 즉. 검출 한계에 미달되어 측정이 불가한 경우가 생길 수 있다.In the case of these quantitative biosensors, they are measured in two ways. One is a method using gold nanoparticles. In this method, after the antibody-attached gold nanoparticles bind to the antigen, the depth of the gold band formed by the binding to the antibody in the measurement line (test line) is quantified by imaging in pixel units with a CCD camera, or the signal before the gold band is formed It is a method of quantifying and quantifying the signal difference after it is generated. Another method is a method using fluorescent particles. This method is a method of quantifying by measuring and quantifying the amount of fluorescence that appears when a specific wavelength is irradiated after binding the antibody-attached fluorescent particles to the antigen and reacting with the antibody of the measurement line (test line). However, in the case of the conventional technology as described above, when the amount of antigen to be measured is small, the amount of reacting gold nanoparticles or fluorescent particles is small, making it impossible to measure when quantifying the reaction, which may affect accuracy and reliability. in other words. There may be cases where the detection limit is not reached and measurement is not possible.

이와 같이 표적물질의 농도를 측정하는데 있어 현재까지 개시된 광간섭계 시스템이나 형광 세기 측정시스템들은 구축 비용이 비교적 고가인 점 또한 상용화에 걸림돌이 되고 있다. In this way, the optical interferometer system or fluorescence intensity measurement system disclosed so far in measuring the concentration of the target material is relatively expensive to build, which is also an obstacle to commercialization.

따라서 표적물질의 농도를 고감도로 측정할 수 있으면서 간단하고 저렴한 표적물질 농도 측정시스템의 개선이 요구된다. Therefore, it is required to improve a simple and inexpensive target substance concentration measurement system capable of measuring the concentration of a target substance with high sensitivity.

한국공개특허 10-2010-0128550(공개일자: 2010.12.8)Korean Patent Publication No. 10-2010-0128550 (published date: 2010.12.8)

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서 자성을 가지는 표적시료에 일정 주기로 변조되는 자기장을 인가하여 변화되는 스펙클 영상정보를 측정함으로써 화학적 전처리 과정이 필요 없고 외부 환경에 거의 영향을 받지 않으면서도 표적시료의 정량적인 농도를 고민감도로 측정할 수 있는 고감도 표적물질 농도 측정을 위한 자기동역학 광학장치 및 이를 이용한 표적물질 농도 측정방법을 제공함에 그 목적이 있다. The present invention has been devised to solve the above problems, and by applying a magnetic field modulated at regular intervals to a target sample having magnetism to measure the changing speckle image information, no chemical pre-processing is required and it is hardly affected by the external environment. Its purpose is to provide a magnetodynamic optical device for measuring the concentration of a target substance with high sensitivity that can measure the quantitative concentration of a target sample with high sensitivity and a method for measuring the concentration of a target substance using the same.

본 발명은 상기의 과제를 해결하기 위해 아래와 같은 특징을 갖는다. The present invention has the following features in order to solve the above problems.

본 발명은 자성을 가지며 표적물질을 포함하는 표적시료가 안착되는 안착수단; 상기 표적시료에 자기장을 형성시키는 자기장 발생장치; 상기 표적시료에 탐지광을 조사하는 광원; 상기 표적시료를 경유하여 수집된 탐지광을 통해 스펙클 영상 정보를 생성하는 카메라; 및 상기 자기장 발생장치의 자기장 방향이 주기적으로 변화되도록 자기장 발생장치를 제어하고, 상기 카메라로부터 일정 시간동안 스펙클 영상 정보를 전달받아 적어도 일부 영역의 픽셀의 주기적인 자기장 변화에 의한 신호를 분석하여 표적시료의 농도를 산출하는 제어부;를 포함한다.The present invention includes a seating means on which a target sample having magnetism and containing a target material is seated; a magnetic field generator for generating a magnetic field in the target sample; a light source for radiating detection light to the target sample; a camera generating speckle image information through detection light collected via the target sample; and controlling the magnetic field generating device so that the direction of the magnetic field of the magnetic field generating device is periodically changed, receiving speckle image information from the camera for a certain period of time and analyzing a signal caused by the periodic magnetic field change of pixels in at least a part of the area to target the target. It includes; a controller for calculating the concentration of the sample.

여기서 상기 광원은 레이저인 것이 바람직하며, 상기 안착수단은 비자성체인 것이 바람직하다. Here, the light source is preferably a laser, and the seating means is preferably a non-magnetic material.

또한 상기 카메라의 전방에 위치되며, 상기 광원의 편광각도와 수직방향으로 편광각도가 형성되는 편광자(polarizer);를 포함하며, 상기 카메라의 전방에 위치되어 탐지광의 파장 대역만 통과시키는 밴드패스필터;를 포함한다. In addition, a polarizer positioned in front of the camera and having a polarization angle perpendicular to the polarization angle of the light source; a band pass filter positioned in front of the camera to pass only a wavelength band of detection light; includes

아울러 상기 카메라의 전방에 위치되어 취득되는 스펙클 영상 정보의 표적시료 크기를 조절하는 렌즈;를 포함하며, 상기 자기장 발생장치는 상기 안착수단을 내측으로 하여 이격 권선된 솔레노이드 코일; 및 상기 솔레노이드 코일로 전원을 인가하는 전원부;를 포함하되, 상기 제어부는 상기 솔레노이드 코일의 전류 방향이 제1방향 및 제2방향으로 교번하여 변화되도록 상기 전원부를 제어한다. In addition, a lens positioned in front of the camera to adjust the size of the target sample of the acquired speckle image information, and the magnetic field generating device includes a solenoid coil wound at a distance with the seating means inside; and a power supply unit for applying power to the solenoid coil, wherein the control unit controls the power supply unit so that a current direction of the solenoid coil alternately changes in a first direction and a second direction.

또한 상기 제어부는 상기 전원부를 제어 시 사전에 설정된 특정 주기(f0)로 상기 솔레노이드 코일의 전류 방향이 변화되도록 제어하며, 상기 제어부는 일정 시간동안 전달받은 스펙클 영상 정보 중 적어도 일부 영역의 픽셀에 대해 고속 푸리에 변환을 수행하고, 상기 특정 주기(fo)에 해당하는 주파수의 출력값(magnitude)을 산출하여 상기 표적시료의 농도를 취득한다. In addition, the control unit controls the current direction of the solenoid coil to change at a predetermined specific period (f 0 ) when controlling the power supply unit, and the control unit controls pixels of at least a part of the speckle image information received for a certain period of time. A fast Fourier transform is performed on the target sample, and the concentration of the target sample is obtained by calculating an output value (magnitude) of a frequency corresponding to the specific period (fo).

아울러 본 발명은 표적시료가 안착되는 안착수단, 자기장을 형성시키는 자기장 발생장치, 탐지광을 상기 표적시료로 조사하는 광원, 표적시료를 경유한 탐지광을 촬영하는 카메라 및 제어부를 포함하는 자기동역학 광학장치를 이용한 표적물질 농도 측정방법에 있어서, 상기 제어부는, (a) 상기 안착수단에 자기장 발생장치를 제어하여 자기장 방향을 특정 주기로 제1방향 및 제2방향으로 교번하여 형성시키는 단계와; (b) 상기 카메라로부터 일정 시간 동안 촬영된 스펙클 영상 정보를 전달받아 스펙클 영상 정보 내 적어도 일부 영역의 각 픽셀에 대해 시간별 광세기를 산출하는 단계와; (c) 적어도 일부 영역의 각 픽셀에 대해 산출된 시간별 광세기를 고속 푸리에 변환을 통해 주파수에 따른 신호 세기를 산출하고 각 픽셀들의 합을 산출하여 상기 특정 주기(t0)에 해당하는 주파수(f0)의 신호 세기를 출력값으로 생성하여 표적물질의 농도를 산출하는 단계;를 포함한다.In addition, the present invention provides magnetic dynamics optics including a seating means on which a target sample is seated, a magnetic field generator for generating a magnetic field, a light source for irradiating detection light to the target sample, a camera for photographing the detection light passing through the target sample, and a control unit. A target substance concentration measuring method using a device, wherein the control unit comprises: (a) controlling a magnetic field generating device in the seating means to alternately form a magnetic field in a first direction and a second direction at a specific period; (b) receiving speckle image information captured for a certain period of time from the camera and calculating light intensity for each pixel of at least a partial area within the speckle image information; (c) The frequency (f) corresponding to the specific period (t 0 ) is calculated by calculating the signal intensity according to the frequency through fast Fourier transform of the calculated light intensity for each pixel of at least a partial area, and calculating the sum of each pixel. 0 ) to generate a signal intensity as an output value to calculate the concentration of the target substance; includes.

본 발명에 따르면 기존 표적시료의 농도를 측정하기 위한 광간섭계 시스템이나 형광 세기 측정시스템에 비해 상대적으로 저가이면서 간단한 광학 부품들로 구성됨에 따라 설치 비용 및 구축 난이도를 저감시키는 효과가 있다. According to the present invention, it is composed of relatively inexpensive and simple optical components compared to an optical interferometer system or a fluorescence intensity measurement system for measuring the concentration of a conventional target sample, thereby reducing installation cost and construction difficulty.

아울러 본 발명에 따르면 주기적인 자기장 변화에 의한 신호만 선택적으로 분석하기 때문에 진동, 온도 및 습도 등의 외부 환경 요소들에 거의 받지 않고 정량적인 분석이 가능한 효과가 있다. In addition, according to the present invention, since only signals caused by periodic magnetic field changes are selectively analyzed, quantitative analysis is possible without being subjected to external environmental factors such as vibration, temperature, and humidity.

이에 따라 본 발명은 매우 안정적으로 표적시료의 농도를 산출함과 동시에 산출값의 신뢰도 또한 보다 향상시킬 수 있는 효과가 있다. Accordingly, the present invention has an effect of very stably calculating the concentration of the target sample and at the same time improving the reliability of the calculated value.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 자기동역학 광학장치를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 자기동역학 광학장치의 내부 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 표적시료를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 카메라로부터 촬영된 스펙클 영상 정보의 일예를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 솔레노이드 코일의 전류 방향에 따른 자기장 방향의 변화를 나타낸 도면이다.
도 6는 본 발명의 일실시예에 따른 제어부의 농도 산출 과정을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 자기동역학 광학장치의 표적물질 농도 측정방법을 나타내는 순서도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 자기장 발생장치를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시에에 따른 자기장 발생장치의 변형가능한 예를 나타내는 도면이다. 1 is a schematic configuration diagram of a magnetodynamic optical device according to an embodiment of the present invention.
2 is a block diagram showing the internal configuration of a magnetodynamic optical device according to an embodiment of the present invention.
3 is a view showing a target sample according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram showing an example of speckle image information captured by a camera according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram showing a change in a magnetic field direction according to a current direction of a solenoid coil according to an embodiment of the present invention.
6 is a diagram showing a concentration calculation process of a control unit according to an embodiment of the present invention.
7 is a flowchart illustrating a method for measuring the concentration of a target material in a magnetodynamic optical device according to an embodiment of the present invention.
8 is a view showing a magnetic field generating device according to another embodiment of the present invention.
9 is a view showing a deformable example of a magnetic field generating device according to another embodiment of the present invention.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 설명하기 위하여 이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하고 이를 참조하여 살펴본다.In order to explain the present invention and the operational advantages of the present invention and the objects achieved by the practice of the present invention, the following describes a preferred embodiment of the present invention and references it.

먼저, 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니며, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 또한 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.First, the terms used in this application are used only to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention, and singular expressions may include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In addition, in this application, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate that there is a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, but one or more other It should be understood that the presence or addition of features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof is not precluded.

본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.In describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known configuration or function may obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 자기동역학 광학장치를 개략적으로 나타낸 구성도이며, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 자기동역학 광학장치의 내부 구성을 나타내는 블럭도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 표적시료를 나타낸 도면이다. 1 is a schematic configuration diagram of a magnetodynamic optical device according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a block diagram showing the internal configuration of the magnetodynamic optical device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is It is a view showing a target sample according to an embodiment of the present invention.

또한 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 카메라로부터 촬영된 스펙클 영상 정보의 일예를 나타낸 도면이며, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 솔레노이드 코일의 전류 방향에 따른 자기장 방향의 변화를 나타낸 도면이고, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 제어부의 농도 산출 과정을 나타낸 도면이다. 4 is a diagram showing an example of speckle image information photographed from a camera according to an embodiment of the present invention, and FIG. 6 is a diagram showing a concentration calculation process of a control unit according to an embodiment of the present invention.

도면을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 자기동역학 광학장치(100)는 표적시료(S) 내 표적물질(T)의 농도를 측정하기 위한 것인데, 비교적 간단한 광학 부품의 구성으로 고민감성 측정이 가능하도록 구현한 것이다. Referring to the drawings, the magnetodynamic optical device 100 according to an embodiment of the present invention is for measuring the concentration of a target material (T) in a target sample (S), and highly sensitive measurement with a relatively simple optical component configuration. implemented to make this possible.

이를 위해 자성을 가지는 표적시료(S)에 자기장을 형성시키되 주기적인 자기장 변조 환경을 부여하고, 산란이 원활하게 발생되는 탐지광을 표적시료(S)에 조사하여 이를 카메라(40)로 촬영하게 되면 보강 간섭 및 상쇄 간섭으로 인해 스펙클 영상이 취득된다. To this end, a magnetic field is formed in the target sample (S) having magnetism, but a periodic magnetic field modulation environment is given, and detection light, in which scattering occurs smoothly, is irradiated to the target sample (S) and photographed with the camera 40 A speckle image is acquired due to constructive interference and destructive interference.

또한 취득된 스펙클 영상 정보를 일정 시간 동안 축적하여 스펙클 영상 정보 내 전체 영역 또는 특정 영역의 픽셀의 주기적인 변화 신호를 고속 푸리에 변환(FFT)을 통해 분석하면 해당 표적물질의 농도에 비례하는 출력값(magnitude)을 얻을 수 있다. In addition, when the acquired speckle image information is accumulated for a certain period of time and the periodic change signal of pixels in the entire area or a specific area within the speckle image information is analyzed through Fast Fourier Transform (FFT), the output value is proportional to the concentration of the target substance. (magnitude) can be obtained.

이러한 주기적인 자기장 변조를 통해 표적물질(T)의 미세 움직임이 변화되는 것을 이용하는데, 해당 표적물질(T)의 농도가 높을수록 증가되고, 낮을수록 감소되며 이를 통해 얻는 출력값은 표적물질(T)의 농도에 고민감성을 가지면서도 외부 환경 즉, 진동, 온도, 습도 등의 영향도 거의 받지 않아 측정 결과의 신뢰도 또한 높다.Through this periodic magnetic field modulation, it is used that the minute movement of the target material (T) is changed. It has high sensitivity to the concentration of , but is hardly affected by the external environment, such as vibration, temperature, humidity, etc., so the reliability of the measurement result is also high.

이하에서는 본 발명의 자기동역학 광학장치(100)를 구성하는 각 구성 요소들에 대해 보다 상세히 설명하도록 한다. Hereinafter, each component constituting the magnetodynamic optical device 100 of the present invention will be described in more detail.

본 발명의 일실시예에 따른 자기동역학 광학장치(100)는 자성을 가지며 표적물질(T)을 포함하는 표적시료(S)가 안착되는 안착수단(10)과, 상기 표적시료(S)에 자기장을 형성시키는 자기장 발생장치(20)와, 상기 표적시료(S)에 탐지광을 조사하는 광원(30)과, 상기 표적시료(S)를 경유하여 수집된 탐지광을 통해 스펙클 영상 정보를 생성하는 카메라(40) 및 상기 자기장 발생장치(20)의 자기장 방향이 주기적으로 변화되도록 자기장 발생장치(20)를 제어하고, 상기 카메라(40)로부터 일정 시간동안 스펙클 영상 정보를 전달받아 적어도 일부 영역의 픽셀의 주기적인 자기장 변화에 의한 신호를 분석하여 표적시료의 농도를 산출하는 제어부(50)를 포함하여 구성된다. The magnetodynamic optical device 100 according to an embodiment of the present invention includes a seating means 10 on which a target sample S having magnetism and including a target material T is seated, and a magnetic field in the target sample S Speckle image information is generated through the magnetic field generating device 20 that forms, the light source 30 that irradiates the detection light to the target sample (S), and the detection light collected via the target sample (S). The camera 40 and the magnetic field generator 20 are controlled so that the direction of the magnetic field of the magnetic field generator 20 is periodically changed, and speckle image information is received from the camera 40 for a certain period of time and at least some area It is configured to include a control unit 50 for calculating the concentration of the target sample by analyzing the signal by the periodic magnetic field change of the pixel of the.

여기서 상기 안착수단(10)은 자성을 가지며 표적물질(T)을 포함하는 표적시료(S)가 안착되는데, 이러한 표적시료(S)는 표적물질(T)이 자성을 가지는 경우와 가지지 않는 경우가 있다. Here, the seating means 10 has magnetism and a target sample S containing a target material T is seated therein, such a target sample S has cases in which the target material T has magnetism and a case in which it does not have magnetism. there is.

본 발명에 따른 자기동역학 광학장치(100)를 통해 표적물질(T)의 농도를 측정하기 위해서는 표적물질(T)이 자성을 가지거나 가지지 않더라도 자성에 영향을 받아야 한다. In order to measure the concentration of the target material (T) through the magnetodynamic optical device 100 according to the present invention, the target material (T) must be affected by magnetism, whether or not it has magnetism.

따라서 표적물질(T)이 자성을 가지지 않는 경우 도 3에 도시된 바와 같이 자성물질(M)이 표적물질(T) 상에 균일 도포되도록 하는 태킹(Tagging)이 수행된다. Therefore, when the target material (T) does not have magnetism, as shown in FIG. 3 , the magnetic material (M) is uniformly coated on the target material (T), so that the tagging (Tagging) is performed.

상기 자성물질(M)은 일예로 이중 자성 나노 입자(Magnetic Nanoparticle, MNPs)가 될 수 있는데, 이러한 이중 자성 나노 입자는 표적물질(T; 일예로 세포 또는 바이러스)에 태깅이 이루어져 외부 자기장에 형성에 따라 표적물질이 함께 영향을 받게 된다. The magnetic material (M) may be, for example, magnetic nanoparticles (MNPs), and these double magnetic nanoparticles are tagged with a target material (T; for example, a cell or virus) to form in an external magnetic field. Depending on the target material, it is affected together.

상기 이중 자성 나노 입자로는 대표적으로 철(Fe)을 이용하여 다양한 형태의 입자가 현재 개시되고 있다. As the double magnetic nanoparticles, various types of particles using iron (Fe) are currently being disclosed.

이와 같이 상기 표적시료(S)는 표적물질(T)이 자성을 가지는 경우 별도의 자성물질(M)이 요구되지 않으며 표적물질(T)이 자성을 가지지 않는 경우 자성물질(M)을 통한 태깅을 통해 표적물질(T)이 외부 자기장 방향에 민감하게 반응하도록 구성된다. In this way, the target sample (S) does not require a separate magnetic material (M) when the target material (T) has magnetism, and tagging through the magnetic material (M) is performed when the target material (T) does not have magnetism. Through the target material (T) is configured to react sensitively to the direction of the external magnetic field.

한편 상기 표적시료(S)가 안착되는 안착수단(10)은 표적시료(S)가 안착될 수 있는 것이라면 어떤 것이든 가능할 수는 있으나, 후술할 광원(30)을 통해 스펙클 영상을 취득하기 유리하도록 확산(diffuse)과 산란(scattering)이 원활히 발생할 수 있는 재질이나 표면 환경이 형성되어야 한다. Meanwhile, the seating means 10 on which the target sample S is seated may be anything as long as the target sample S can be seated, but it is advantageous to acquire a speckle image through the light source 30 to be described later. A material or surface environment in which diffusion and scattering can occur smoothly must be formed.

만일 안착수단(10)이 매우 미끄러운 평탄면을 가지는 플라스틱 재질로 이루어질 경우 확산 및 산란이 발생되기 어려워 고감도의 스펙클 영상을 얻을 수 없다.If the seating means 10 is made of a plastic material having a very slippery flat surface, it is difficult to obtain a highly sensitive speckle image because diffusion and scattering are difficult to occur.

아울러 상기 안착수단(10)은 표적시료(S)에 어떠한 자기적 영향을 부여하여서는 안되기 때문에 비자성체로 구성되어야 하는데, 이는 본 발명의 자기동역학 광학장치(100)가 표적시료(S)의 자기장 변조에 따른 미세한 물리적 변화를 통해 표적물질 농도를 측정하기 때문에 안착수단(10)이 자성체로 구성될 경우 표적시료(S)의 물리적 변화에 현격한 영향을 안착수단(10)이 미치기 때문에 고감도로 표적시료(S)의 물리적 변화를 측정할 수 없다. In addition, since the seating means 10 should not impart any magnetic influence to the target sample S, it should be made of a non-magnetic material, which is why the magnetodynamic optical device 100 of the present invention modulates the magnetic field of the target sample S. Since the concentration of the target material is measured through minute physical changes according to the target sample with high sensitivity because the mounting means 10 has a significant effect on the physical change of the target sample S when the mounting means 10 is composed of a magnetic material The physical change of (S) cannot be measured.

따라서, 본 발명의 일실시예에 따른 안착수단(10)은 비자성체이며, 확산과 산란을 원활하게 발생시킬 수 있도록 표면이 매끄럽지 않은 거친 재질로 구성되는 것이 바람직한데, 일예로 종이재질, 플라스틱 재질 또는 유리 재질이 가능하다. Therefore, the seating means 10 according to an embodiment of the present invention is a non-magnetic material, and it is preferable to be made of a rough material with a non-smooth surface so that diffusion and scattering can occur smoothly, for example, a paper material or a plastic material. Alternatively, a glass material may be used.

물론 플라스틱 재질 또는 유리 재질로 구성할 경우 표면 거칠기가 낮기 때문에 표면을 연삭수단을 통해 일정 정도 연삭하게 되면 보다 산란 및 확산효과가 증대될 수 있다.Of course, since the surface roughness is low when made of a plastic material or a glass material, scattering and diffusion effects can be increased more if the surface is ground to a certain extent through a grinding means.

한편 상기 자기장 발생장치(20)는 상기 표적시료(S)에 자기장을 형성시키기 위해 구비되는데, 이러한 자기장 발생장치(20)는 상기 안착수단(10)을 내측으로 하여 이격 권선된 솔레노이드 코일(21)과, 상기 솔레노이드 코일(21)로 전원을 인가하는 전원부(22)를 포함하여 구성된다. On the other hand, the magnetic field generating device 20 is provided to form a magnetic field in the target sample (S), such a magnetic field generating device 20 is a solenoid coil 21 wound at a distance with the seating means 10 inside and a power supply unit 22 for applying power to the solenoid coil 21.

도 5에 도시된 바와 같이 상기 자기장 발생장치(20)는 상기 표적시료(S)에 자기장을 발생시키되 자기장이 방향을 제1방향 및 제2방향으로 계속하여 반복 변화시키기 위해 솔레노이드 코일(21)로 흐르는 전류의 방향을 계속하여 교번시킨다.As shown in FIG. 5, the magnetic field generator 20 generates a magnetic field in the target sample S, and uses a solenoid coil 21 to repeatedly change the direction of the magnetic field in the first and second directions. The direction of the flowing current is continuously alternated.

도 5에서는 제1방향은 우측방향이 되고, 제2방향은 좌측방향이 해당되는데, 이를 위해 I1으로 일정 시간 전류가 흐르다가 I2로 전류 방향을 변화시켜 일정 시간 흐르게 한 뒤 다시 I1으로 전류 방향을 변화시키는 과정을 계속하여 반복하는 것이다. In FIG. 5, the first direction corresponds to the right direction and the second direction corresponds to the left direction. To this end, the current flows in I 1 for a certain period of time, then changes the current direction to I 2 to flow for a certain period of time, and then returns to I 1 . The process of changing the current direction is repeated over and over again.

여기서 상기 전류 방향의 변화 주기는 후술할 제어부(50)의 스펙클 영상 정보를 고속 푸리에 변환하여 분석할 때 해당 주기에 대응되는 주파수의 크기(magnitude)가 표적물질의 농도에 비례하는 출력값이 된다. Here, when speckle image information of the control unit 50, which will be described later, is analyzed by fast Fourier transform, the magnitude of the frequency corresponding to the change period of the current direction becomes an output value proportional to the concentration of the target material.

또한 상기 솔레노이드 코일(21)의 전류 방향 제어는 솔레노이드 코일(21)에 전류를 인가하는 전원부(22)를 후술할 제어부(50)가 제어하는데, 이러한 제어부(50)의 전원부(22) 제어 시 전술한 바와 같이 특정 주기를 가지도록 제어한다. In addition, the current direction control of the solenoid coil 21 is controlled by the control unit 50, which will be described later, to the power supply unit 22 for applying current to the solenoid coil 21. As described above, it is controlled to have a specific cycle.

한편 상기 광원(30)은 상기 표적시료(S)에 탐지광을 조사하도록 구비되는데, 이러한 광원(30)은 조사되는 탐지광이 간섭성(Coherence)을 가져 산란이 원활하게 발생될 수 있어야 하므로 본 발명의 일실시예에 따른 광원(30)으로는 레이저가 바람직하다. On the other hand, the light source 30 is provided to irradiate the detection light to the target sample S, and the light source 30 should have coherence so that scattering can occur smoothly. A laser is preferred as the light source 30 according to an embodiment of the present invention.

이러한 레이저의 간섭성(Coherence)은 파동(wave)의 위상이 시간이나 공간적으로 정렬되어 있는 정도를 말하는데, Coherence가 높을수록 간섭무늬 발생이 보다 원활해진다. The coherence of such a laser refers to the degree to which the phases of waves are temporally or spatially aligned. The higher the coherence, the smoother the generation of the interference pattern.

일반적으로 실생활에서는 보는 빛, 즉 태양광이나 전구 등의 빛을 변조를 거치지 않고 이용해서는 간섭무늬를 볼 수 없으며 이는 이들 광원의 간섭성(Coherence)가 아주 낮기 때문이다. In general, in real life, when light, such as sunlight or light bulbs, is used without being modulated, an interference pattern cannot be seen. This is because the coherence of these light sources is very low.

레이저의 경우는 레이저 공진기의 구조에 따라 정도의 차이는 있으나 기본적으로 Coherent하다. 레이저의 출력이 단일모드(single mode)인 경우에는 공간적 Coherence를 확보할 수 있으며, 시간적 Coherence의 정도는 레이저 출력의 파장분포(wavelength bandwidth, Δλ)에 의해서 결정된다. In the case of a laser, although there is a difference in degree depending on the structure of the laser resonator, it is basically coherent. When the laser output is single mode, spatial coherence can be secured, and the degree of temporal coherence is determined by the wavelength bandwidth (Δλ) of the laser output.

이러한 시간적 Coherence의 정도를 달리 Coherence length(Lc=λ/Δλ2)라고 표현하기도 하는데, 이는 시간적 Coherence가 주로 간섭 현상을 일으키는데 사용되는 특성이기 때문이다.This degree of temporal coherence is sometimes expressed as coherence length (Lc=λ/Δλ 2 ), because temporal coherence is a characteristic mainly used to cause interference.

따라서 레이저를 포함한 본 발명의 광원(30)은 약 200mm 이상의 Coherence length를 가지는 것이라면 분석에 필요한 충분한 스펙클을 생성시킬 수 있다.Therefore, if the light source 30 of the present invention including a laser has a coherence length of about 200 mm or more, it can generate sufficient speckle for analysis.

물론 이와 같이 200mm 이상의 Coherence length를 가지는 레이저인 경우 해당 Coherence length 내에 상기 표적시료(S)가 안착된 안착수단(10)이 위치되어야 할 것이다.Of course, in the case of a laser having a coherence length of 200 mm or more, the seating means 10 in which the target sample S is seated must be located within the corresponding coherence length.

아울러 필요에 따라 광원(30)의 전방측에 위치되어 광원(30)으로부터 조사되는 탐지광이 보다 넓은 범위로 분산 조사되도록 하는 디퓨저가 구비될 수 있다. In addition, if necessary, a diffuser may be provided that is located on the front side of the light source 30 to disperse and irradiate the detection light emitted from the light source 30 in a wider range.

또한 파장이 서로 다른 복수개의 레이저를 사용하여 반사 파장이 서로 다른 복수의 표적시료(S)에 대한 스펙클 영상을 동시에 획득할 수 있는데, 이와 같이 복수개의 레이저를 사용하는 경우 복수의 표적시료(S)가 서로 다른 파장 영역의 반사 특성을 가질 때 가능하며, 복수개의 레이저는 서로 다른 파장을 가지는 레이저이거나 파장 변조 레이저임이 바람직하다.In addition, it is possible to simultaneously acquire speckle images of a plurality of target samples (S) having different reflection wavelengths by using a plurality of lasers having different wavelengths. In this way, when using a plurality of lasers, a plurality of target samples (S) ) is possible when they have reflection characteristics in different wavelength regions, and it is preferable that the plurality of lasers are lasers having different wavelengths or wavelength-modulated lasers.

아울러 상기 레이저 조사 패턴(Pattern)으로는 주기적 패턴, 특수 패턴 및 랜덤(Random) 패턴 모두가 가능한데, 주기적인 패턴으로는 Sinusoidal pattern, Rectangular pattern, sawtooth pattern, Triangle pattern 등이 가능하며 후술할 고속 푸리에 변환을 통해 표적물질(T)의 농도 분석이 가능하다. In addition, as the laser irradiation pattern, periodic patterns, special patterns, and random patterns are all possible. As periodic patterns, sinusoidal patterns, rectangular patterns, sawtooth patterns, triangle patterns, etc. are possible, and fast Fourier transforms to be described later. It is possible to analyze the concentration of the target substance (T) through.

또한 특수 패턴으로는 하다마드(Hadamard) 패턴과 그의 파생 패턴들이 가능한데, 이러한 특수 패턴의 분석 방법으로는 인가한 하다마드(Hadamard) 패턴과 취득한 스펙클 영상 정보 간에 Cross-correlation하여 표적물질(T)의 농도 분석을 수행할 수 있다. In addition, as special patterns, Hadamard patterns and their derivative patterns are possible. As a method for analyzing these special patterns, cross-correlation between the applied Hadamard pattern and the acquired speckle image information is performed to determine the target material (T). concentration analysis can be performed.

아울러 랜덤 패턴의 경우도, 하다마드(Hadamard) 패턴과 동일하게 인가한 랜덤 패턴과 취득한 스펙클 영상 정보 간에 Cross-correlation하여 표적물질(T)의 농도 분석을 수행할 수 있다. In addition, even in the case of a random pattern, the concentration analysis of the target material (T) can be performed by cross-correlation between the applied random pattern and the acquired speckle image information in the same way as the Hadamard pattern.

아울러 상기 카메라(40)는 상기 표적시료(S)를 경유하여 수집된 탐지광을 촬영하여 스펙클 영상 정보를 생성하도록 구비되는데, 이러한 카메라(40)에 의해 생성된 스펙클 영상 정보는 일정 시간 촬영된 것으로 해당 영상 정보는 후술할 제어부(50)로 전송된다. In addition, the camera 40 is provided to generate speckle image information by photographing the detection light collected through the target sample S, and the speckle image information generated by the camera 40 is captured for a certain period of time. As such, the image information is transmitted to the control unit 50 to be described later.

한편 본 발명의 일실시예에 따라 고민감성을 가지는 스펙클 영상 정보의 취득을 위해 상기 카메라(40)의 전방측에는 편광자(60, Polarizer), 밴드패스필터(70) 또는 렌즈(80)가 포함될 수 있다. Meanwhile, according to an embodiment of the present invention, a polarizer 60, a band pass filter 70, or a lens 80 may be included on the front side of the camera 40 to acquire speckle image information having high sensitivity. there is.

여기서 상기 편광자(60)는 상기 카메라(40)의 전방에 위치되어 카메라(40)로 수집되는 탐지광이 이를 통과하도록 구비되며, 상기 광원(30)의 편광각도와 수직방향으로 편광각도를 가지도록 구성되어 광원(30)으로부터 조사된 탐지광이 표적시료(S)를 경유하지 않고 안착수단(10)에 바로 반사(Specular reflection)된 탐지광이 카메라(40)로 수집되지 않도록 제거한다. Here, the polarizer 60 is positioned in front of the camera 40 so that detection light collected by the camera 40 passes therethrough, and has a polarization angle perpendicular to the polarization angle of the light source 30. It is configured to remove the detection light irradiated from the light source 30 so that the detection light reflected directly on the seating means 10 without passing through the target sample S is not collected by the camera 40.

즉, 표적시료(S)를 경유하여 산란된 탐지광은 광원(30)으로부터 조사될 시에 편광각도에서 변화가 되지만 표적시료(S)를 경유하지 않고 안착수단(10)에 바로 반사(Specular reflection)된 탐지광은 편광각도의 변화가 발생되지 않는다.That is, the detection light scattered through the target sample (S) changes in polarization angle when irradiated from the light source 30, but is directly reflected (specular reflection) to the seating means 10 without passing through the target sample (S). ), the polarization angle does not change.

이에 따라 상기 편광자(60)의 편광각도를 광원(30)의 편광각도와 수직하게 형성하면 Specular reflection에 의한 탐지광 성분을 제거할 수 있게 된다. Accordingly, if the polarization angle of the polarizer 60 is perpendicular to the polarization angle of the light source 30, the detection light component due to specular reflection can be removed.

한편 상기 밴드패스필터(70)는 상기 카메라(40)의 전방에 위치되어 탐지광의 파장 대역만 통과시키도록 구비되는데, 광원(30)인 레이저의 파장대역에 따라 밴드패스필터(70)의 통과대역은 선택적으로 변경될 수 있다. On the other hand, the band pass filter 70 is located in front of the camera 40 and is provided to pass only the wavelength band of the detection light. The pass band of the band pass filter 70 depends on the wavelength band of the laser, which is the light source 30. can optionally be changed.

이에 따라 전술한 편광자(60) 및 밴드패스필터(70)를 통해 본 발명에서 목적하는 스펙클 영상 정보 내 노이즈 성분은 최대한 제거할 수 있으며, 이를 통해 보다 고민감성을 가지는 자기동역학 광학장치가 구현될 수 있다. Accordingly, the noise component in the speckle image information targeted in the present invention can be removed as much as possible through the polarizer 60 and the band pass filter 70 described above, and through this, a magnetodynamic optical device with higher sensitivity can be implemented. can

아울러 필요에 따라 취득되는 카메라(40)의 스펙클 영상 정보 내 표적시료 크기를 조절할 수 있는 렌즈(80)가 포함될 수 있다. In addition, a lens 80 capable of adjusting the size of the target sample in the speckle image information of the camera 40 acquired as needed may be included.

이러한 렌즈(80)는 상기 카메라(40)의 전방에 위치되며, 표적시료의 크기가 적을 경우 확대하거나 크기가 클 경우 축소시키는 역할을 수행하게 된다. This lens 80 is located in front of the camera 40, and serves to enlarge when the size of the target sample is small or reduce the size when the size of the target sample is large.

한편 상기 제어부(50)는 상기 자기장 발생장치(20)의 자기장 방향이 주기적으로 변화되도록 자기장 발생장치(20)를 제어하고, 상기 카메라(40)로부터 일정 시간동안 스펙클 영상 정보를 전달받아 전체 영역 또는 일부 영역에 대해 픽셀의 주기적인 자기장 변화에 의한 신호를 분석하여 표적시료의 농도를 산출하도록 구비된다.Meanwhile, the control unit 50 controls the magnetic field generator 20 so that the direction of the magnetic field of the magnetic field generator 20 is periodically changed, receives speckle image information from the camera 40 for a certain period of time, and receives speckle image information over the entire area. Alternatively, it is provided to calculate the concentration of the target sample by analyzing the signal by the periodic magnetic field change of the pixel for a partial area.

이를 위해 제어부(50)는 도 6에 도시된 바와 같이 우선 일정 시간 동안의 스펙클 영상 정보를 전달받아 해당 스펙클 영상 정보의 전체 영역 또는 일부 영역의 픽셀을 분석한다. To this end, as shown in FIG. 6 , the controller 50 first receives speckle image information for a certain period of time and analyzes pixels of the entire region or a partial region of the speckle image information.

선택된 영역의 특정 픽셀은 도 6의 (b)에 나타나듯이 자기장의 변화에 따라 스펙클 밝기가 변화하는데, 표적물질의 농도가 높을 때 자기장의 영향을 많이 받으므로 구조의 변화로 인해 광세기(Inensity) 변화가 크며, 반면 농도가 낮을 경우 자성을 거의 띄지 않으므로 변화가 거의 없게 된다. As shown in (b) of FIG. 6, the speckle brightness of a specific pixel of the selected area changes according to the change in the magnetic field. ), the change is large, whereas when the concentration is low, there is almost no change because the magnetism is almost insignificant.

아울러 도 6의 (c)는 도 6의 (b)를 신호처리하여 주파수에 따른 신호 세기를 그래프로 변환한 것으로 해당 영역의 각 픽셀에 대해 고속 푸리에 변환(FFT)을 수행하여 그 합을 구하면, 전술한 특정 주기에 해당하는 주파수(f0)의 신호 세기(magnitude)를 검출할 수 있으며, 이 신호 세기가 표적물질(T)의 농도에 비례하는 출력값이 된다. In addition, (c) of FIG. 6 is a graph of the signal intensity according to frequency by signal processing of FIG. It is possible to detect the signal intensity (magnitude) of the frequency (f 0 ) corresponding to the above-described specific period, and this signal intensity becomes an output value proportional to the concentration of the target material (T).

도 6의 (d)는 도 6의 (c)에 해당하는 신호를 2D 공간에 표현한 것으로 해당 일예의 경우 표적물질(T)가 원형으로 분포한 경우임을 알 수 있다. In (d) of FIG. 6, the signal corresponding to (c) in FIG. 6 is expressed in 2D space, and in the case of the example, it can be seen that the target material (T) is circularly distributed.

이와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 자기동역학 광학장치(100)는 기존 표적물질의 농도를 측정하기 위한 광간섭계 시스템이나 형광 세기를 측정하는 시스템들에 비해 비교적 간단하고 원가가 저렴한 광학 부품들로 구성하면서도 진동, 온도, 습도 등의 외부 환경에 영향을 거의 받지 않고 고감도의 정량 농도 산출이 가능하다.As described above, the magnetodynamic optical device 100 according to an embodiment of the present invention is a relatively simple and low-cost optical component compared to conventional optical interferometer systems for measuring the concentration of a target material or systems for measuring fluorescence intensity. While configured, it is possible to calculate quantitative concentration with high sensitivity without being affected by the external environment such as vibration, temperature, and humidity.

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 자기동역학 광학장치의 표적물질 농도 측정방법을 나타내는 순서도이다. 7 is a flowchart illustrating a method for measuring the concentration of a target material in a magnetodynamic optical device according to an embodiment of the present invention.

도면을 참조하면, 본 실시예에 따른 자기동역학 광학장치의 표적물질 농도 측정방법은 표적시료(S)가 안착되는 안착수단(10), 자기장을 형성시키는 자기장 발생장치(20), 탐지광을 상기 표적시료(S)로 조사하는 광원(30), 표적시료(S)를 경유한 탐지광을 촬영하는 카메라(40) 및 제어부(50)를 포함하는 구성되는 자기동역학 광학장치(100)를 이용하여 표적물질 농도를 측정하는 것으로, 상기 제어부(50)는 상기 안착수단(10)에 자기장 발생장치(20)를 제어하여 자기장 방향을 특정 주기로 제1방향 및 제2방향으로 교번하여 형성시키는 단계(S10)와, 상기 광원으로부터 조사되는 탐지광을 수집하여 상기 카메라(40)가 생성한 일정 시간 동안의 스펙클 영상 정보를 전달받아 스펙클 영상 정보 내 적어도 일부 영역의 각 픽셀에 대해 시간별 광세기를 산출하는 단계(S20) 및 적어도 일부 영역의 각 픽셀에 대해 산출된 시간별 광세기를 고속 푸리에 변환을 통해 주파수에 따른 신호 세기 및 이들의 합을 산출하여 상기 특정 주기(t0)에 해당하는 주파수(f0)의 신호 세기를 출력값으로 생성하여 표적물질의 농도를 산출하는 단계(S30)로 구성된다. Referring to the drawings, the target material concentration measurement method of the magnetodynamic optical device according to the present embodiment includes a seating means 10 on which a target sample S is seated, a magnetic field generator 20 for generating a magnetic field, and detection light as described above. Using a magnetodynamic optical device 100 configured to include a light source 30 irradiating a target sample S, a camera 40 capturing detection light passing through the target sample S, and a controller 50 By measuring the concentration of the target substance, the control unit 50 controls the magnetic field generator 20 in the seating means 10 to alternately form a magnetic field direction in a first direction and a second direction at a specific period (S10 ) and the speckle image information generated by the camera 40 for a certain period of time by collecting the detection light emitted from the light source and calculating the luminous intensity for each pixel of at least a part of the speckle image information for each pixel (S20) and the frequency (f) corresponding to the specific period (t 0 ) by calculating the signal intensity according to frequency and their sum through fast Fourier transform of the light intensity for each pixel calculated for each pixel of at least a partial area at each time. 0 ) as an output value to calculate the concentration of the target substance (S30).

여기서 상기 S10 단계에서는 제어부(50)가 상기 안착수단(10)에 자기장 발생장치(20)를 통해 자기장 방향을 특정 주기로 제1방향 및 제2방향으로 교번하여 형성시키는데, 이때 제어부(50)는 자기장 발생장치(20)의 전원부(22)를 제어하여 솔레노이드 코일(21)로 흐르는 전류의 방향을 교번하여 변화시키게 된다.Here, in the step S10, the control unit 50 alternately forms a magnetic field direction in a first direction and a second direction at a specific period through the magnetic field generator 20 in the seating means 10. At this time, the control unit 50 controls the magnetic field By controlling the power supply unit 22 of the generator 20, the direction of the current flowing through the solenoid coil 21 is alternately changed.

이에 따라 안착수단(10)에 안착되는 표적시료(S)의 표적물질(T)은 자기장의 주기적인 변화에 따라 물리적인 배열 또는 형태가 주기적인 변화를 나타내게 되고, 이러한 변화의 세기는 표적물질(T)의 농도와 대응된다. Accordingly, the target material T of the target sample S seated on the seating means 10 exhibits periodic changes in physical arrangement or shape according to periodic changes in the magnetic field, and the strength of these changes is the target material ( T) corresponds to the concentration of

이와 같은 자기장의 주기적인 방향 변화가 이루어지면, S20 단계에서 제어부(50)는 표적시료(S)를 경유한 탐지광을 수집하여 카메라(40)가 생성한 스펙클 영상 정보를 일정 시간 동안 전달받아 스펙클 영상 정보 내 적어도 일부 영역의 각 픽셀에 대해 시간별 광세기를 산출하게 된다. When such a periodic change in direction of the magnetic field is made, in step S20, the controller 50 collects the detection light passing through the target sample S and receives the speckle image information generated by the camera 40 for a certain period of time. The light intensity for each pixel of at least a partial region in the speckle image information is calculated for each time.

이러한 시간별 광세기(Intensity)는 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이 표적물질(T)의 농도에 따라 달라진다. The intensity of light for each time varies depending on the concentration of the target material T, as shown in (b) of FIG. 6 .

한편 상기 S30 단계에서 제어부(50)는 산출된 각 픽셀의 시간별 광세기를 고속 푸리에 변환을 통해 주파수에 따른 신호 세기 및 이들의 합을 산출하면 상기 특정 주기(t0)에 해당하는 주파수(f0)의 신호 세기가 출력값이 되며 이를 통해 표적물질의 농도를 산출할 수 있다. On the other hand, in step S30, the control unit 50 calculates the signal intensity according to the frequency and the sum thereof through fast Fourier transform of the light intensity for each time of the calculated pixel, the frequency f 0 corresponding to the specific period t 0 ) becomes the output value, through which the concentration of the target substance can be calculated.

이러한 본 실시예에서는 전술한 바와 같이 보다 고감도의 표적물질 농도 측정을 위해 편광자(60), 밴드패스필터(70) 및 렌즈(80)가 더 포함될 수 있음은 물론이다. In this embodiment, as described above, the polarizer 60, the band pass filter 70, and the lens 80 may be further included to measure the concentration of the target material with higher sensitivity.

도 8은 본 발명에 따른 자기장 발생장치의 변형가능한 실시예를 나타내는 도면이고, 도 9는 본 발명에 따른 자기장 발생장치의 또 다른 변형 실시예를 나타내는 도면이다.8 is a view showing a deformable embodiment of the magnetic field generator according to the present invention, and FIG. 9 is a view showing another modified embodiment of the magnetic field generator according to the present invention.

본 발명에 따른 자기장 발생장치(20)의 변형 가능한 실시예는 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이 다양하게 구성될 수 있는데, 우선 도 8에 따른 자기장 발생장치(20)는 표적시료(S)가 안착되는 안착수단(10)의 하부측 일정 지점에 코어(23)가 위치되어 해당 코어(23)에 권선된 솔레노이드 코일(21)을 형성시키고, 상기 솔레노이드 코일(21)로 전류를 인가하는 전원부(22)가 제어부(50)에 의해 제어됨에 따라 표적시료(S)에 자기장을 주기적으로 변조하여 인가시키도록 구성될 수 있다.A deformable embodiment of the magnetic field generator 20 according to the present invention may be configured in various ways as shown in FIGS. 8 and 9. First, the magnetic field generator 20 according to FIG. 8 is a target sample S A core 23 is located at a certain point on the lower side of the seating means 10 on which is seated to form a solenoid coil 21 wound around the core 23, and a power supply unit for applying current to the solenoid coil 21 As (22) is controlled by the controller 50, it may be configured to periodically modulate and apply a magnetic field to the target sample (S).

아울러 도 9의 (a)는 도 8에서 자기장 인가 방향을 일정 각도 달리하도록 구성한 것이며, 도 9의 (b)는 코어(23) 없이 솔레노이드 코일(21)로만 자기장을 인가하도록 구성한 것이고, 도 9의 (c)는 마주하는 한 쌍의 코어(23) 및 이들에 권선된 솔레노이드 코일(21)로 구성한 것이다. In addition, (a) of FIG. 9 is configured to vary the direction of application of the magnetic field in FIG. 8 by a certain angle, and (b) of FIG. 9 is configured to apply the magnetic field only to the solenoid coil 21 without the core 23. (c) is composed of a pair of facing cores 23 and a solenoid coil 21 wound on them.

이와 같이 본 발명에 따른 자기장 발생장치(20)는 표적시료(S)가 안착된 안착수단(10)에 다양한 형태로 자기장을 변조하여 인가하도록 자기장의 인가 방향을 달리하여 설정할 수 있으며, 수 개의 방향으로 인가시키도록 구성할 수 있다.In this way, the magnetic field generating device 20 according to the present invention can be set by changing the application direction of the magnetic field so as to modulate and apply the magnetic field in various forms to the seating means 10 on which the target sample S is seated, and several directions It can be configured to authorize.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정은 균등물들로 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주 되어야 할 것이다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the specific embodiments described above. That is, those skilled in the art to which the present invention belongs can make many changes and modifications to the present invention without departing from the spirit and scope of the appended claims, and all such appropriate changes and modifications Equivalents should be regarded as falling within the scope of this invention.

10 : 안착수단 20 : 자기장 발생장치
21 : 솔레노이드 코일 22 : 전원부
30 : 광원 40 : 카메라
50 : 제어부 60 : 편광자
70 : 밴드패스필터 80 : 렌즈
100 : 자기동역학 광학장치
S : 표적시료 T : 표적물질
M : 자성물질10: seating means 20: magnetic field generator
21: solenoid coil 22: power supply
30: light source 40: camera
50: control unit 60: polarizer
70: band pass filter 80: lens
100: magnetodynamic optical device
S: target sample T: target material
M: magnetic material

Claims (10)

자성을 가지며 표적물질을 포함하는 표적시료가 안착되는 안착수단;
상기 표적시료에 자기장을 형성시키는 자기장 발생장치;
상기 표적시료에 탐지광을 조사하는 광원;
상기 표적시료를 경유하여 수집된 탐지광을 통해 스펙클 영상 정보를 생성하는 카메라; 및
상기 자기장 발생장치의 자기장 방향이 주기적으로 변화되도록 자기장 발생장치를 제어하고, 상기 카메라로부터 일정 시간동안 스펙클 영상 정보를 전달받아 적어도 일부 영역의 픽셀의 주기적인 자기장 변화에 의한 신호를 분석하여 표적시료의 농도를 산출하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 표적물질의 고감도 농도 측정을 위한 자기동역학 광학장치.
A seating means on which a target sample having magnetism and containing a target material is seated;
a magnetic field generator for generating a magnetic field in the target sample;
a light source for radiating detection light to the target sample;
a camera generating speckle image information through detection light collected via the target sample; and
The magnetic field generator is controlled so that the magnetic field direction of the magnetic field generator is periodically changed, speckle image information is received from the camera for a certain period of time, and signals caused by the periodic magnetic field change of pixels in at least some areas are analyzed to obtain a target sample. A magnetodynamic optical device for measuring the concentration of a target material with high sensitivity, characterized in that it comprises a; control unit for calculating the concentration of.
 제1항에 있어서,
상기 광원은
레이저인 것을 특징으로 하는 표적물질의 고감도 농도 측정을 위한 자기동역학 광학장치.
According to claim 1,
The light source
A magnetodynamic optical device for measuring the high-sensitivity concentration of a target material, characterized in that it is a laser.
 제1항에 있어서,
상기 안착수단은
비자성체인 것을 특징으로 하는 표적물질의 고감도 농도 측정을 위한 자기동역학 광학장치.
According to claim 1,
The anchoring means is
A magnetokinetic optical device for high-sensitivity measurement of the concentration of a target material, characterized in that it is non-magnetic.
 제1항에 있어서,
상기 카메라의 전방에 위치되며, 상기 광원의 편광각도와 수직방향으로 편광각도가 형성되는 편광자(polarizer);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표적물질의 고감도 농도 측정을 위한 자기동역학 광학장치.
According to claim 1,
A magnetodynamic optical device for highly sensitive concentration measurement of a target material, characterized in that it further comprises; a polarizer positioned in front of the camera and having a polarization angle perpendicular to the polarization angle of the light source.
 제1항에 있어서,
상기 카메라의 전방에 위치되어 탐지광의 파장 대역만 통과시키는 밴드패스필터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표적물질의 고감도 농도 측정을 위한 자기동역학 광학장치.
According to claim 1,
A magnetokinetic optical device for highly sensitive concentration measurement of a target material, characterized in that it further comprises; a band pass filter positioned in front of the camera to pass only the wavelength band of the detection light.
 제1항에 있어서,
상기 카메라의 전방에 위치되어 취득되는 스펙클 영상 정보의 표적시료 크기를 조절하는 렌즈;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 표적물질의 고감도 농도 측정을 위한 자기동역학 광학장치.
According to claim 1,
A magnetodynamic optical device for highly sensitive concentration measurement of a target material, characterized in that it further comprises; a lens positioned in front of the camera to adjust the size of the target sample of the acquired speckle image information.
 제1항에 있어서,
상기 자기장 발생장치는
상기 안착수단을 내측으로 하여 이격 권선된 솔레노이드 코일; 및
상기 솔레노이드 코일로 전원을 인가하는 전원부;를 포함하되,
상기 제어부는
상기 솔레노이드 코일의 전류 방향이 제1방향 및 제2방향으로 교번하여 변화되도록 상기 전원부를 제어하는 것을 특징으로 하는 표적물질의 고감도 농도 측정을 위한 자기동역학 광학장치.
According to claim 1,
The magnetic field generator
solenoid coils spaced apart from each other with the seating means inside; and
A power supply unit for applying power to the solenoid coil; including,
The control unit
The magnetodynamic optical device for highly sensitive concentration measurement of a target material, characterized in that for controlling the power supply unit so that the current direction of the solenoid coil is alternately changed in a first direction and a second direction.
 제7항에 있어서,
상기 제어부는
상기 전원부를 제어 시 사전에 설정된 특정 주기로 상기 솔레노이드 코일의 전류 방향이 변화되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 표적물질의 고감도 농도 측정을 위한 자기동역학 광학장치.
According to claim 7,
The control unit
A magnetodynamic optical device for highly sensitive concentration measurement of a target material, characterized in that for controlling the power supply so that the current direction of the solenoid coil is changed at a specific period set in advance.
 제8항에 있어서,
상기 제어부는
일정 시간동안 전달받은 스펙클 영상 정보 중 적어도 일부 영역의 픽셀에 대해 고속 푸리에 변환을 수행하고, 상기 특정 주기에 해당하는 주파수(f0)의 출력값을 산출하여 상기 표적시료의 농도를 취득하는 것을 특징으로 하는 표적물질의 고감도 농도 측정을 위한 자기동역학 광학장치.
According to claim 8,
The control unit
Performing fast Fourier transform on pixels in at least a part of the speckle image information received for a certain period of time, and calculating the output value of the frequency (f 0 ) corresponding to the specific period to acquire the concentration of the target sample. A magnetodynamic optical device for highly sensitive concentration measurement of a target substance.
 표적시료가 안착되는 안착수단, 자기장을 형성시키는 자기장 발생장치, 탐지광을 상기 표적시료로 조사하는 광원, 표적시료를 경유한 탐지광을 촬영하는 카메라 및 제어부를 포함하는 자기동역학 광학장치를 이용한 표적물질 농도 측정방법에 있어서,
상기 제어부는,
(a) 상기 안착수단에 자기장 발생장치를 제어하여 자기장 방향을 특정 주기로 제1방향 및 제2방향으로 교번하여 형성시키는 단계와;
(b) 상기 광원으로부터 조사되는 탐지광을 수집하여 상기 카메라가 생성한 일정 시간 동안의 스펙클 영상 정보를 전달받아 스펙클 영상 정보 내 적어도 일부 영역의 각 픽셀에 대해 시간별 광세기를 산출하는 단계와;
(c) 적어도 일부 영역의 각 픽셀에 대해 산출된 시간별 광세기를 고속 푸리에 변환을 통해 주파수에 따른 신호 세기 및 이들의 합을 산출하고 상기 특정 주기(t0)에 해당하는 주파수(f0)의 신호 세기를 출력값으로 생성하여 표적물질의 농도를 산출하는 단계;를 포함하는 자기동역학 광학장치를 이용한 표적물질 농도 측정방법.
A target using a magnetodynamic optical device including a seating means on which a target sample is seated, a magnetic field generator for generating a magnetic field, a light source for irradiating detection light to the target sample, a camera for photographing the detection light passing through the target sample, and a control unit. In the method for measuring the concentration of a substance,
The control unit,
(a) controlling a magnetic field generator in the seating means to alternately form a magnetic field in a first direction and a second direction at a specific period;
(b) collecting detection light emitted from the light source, receiving speckle image information generated by the camera for a certain period of time, and calculating light intensity for each pixel of at least a part of the region within the speckle image information; ;
(c) Calculate the signal intensity according to the frequency and their sum through fast Fourier transform of the calculated light intensity for each pixel of at least some area, and calculate the frequency (f 0 ) corresponding to the specific period (t 0 ) A method for measuring the concentration of a target substance using a magnetodynamic optical device, comprising: calculating the concentration of the target substance by generating the signal intensity as an output value.
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