WO2025116166A1 - 산란광 및 형광 검출 장치 - Google Patents

산란광 및 형광 검출 장치 Download PDF

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WO2025116166A1
WO2025116166A1 PCT/KR2024/008515 KR2024008515W WO2025116166A1 WO 2025116166 A1 WO2025116166 A1 WO 2025116166A1 KR 2024008515 W KR2024008515 W KR 2024008515W WO 2025116166 A1 WO2025116166 A1 WO 2025116166A1
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light
fluorescence detection
detection unit
fluorescence
scattered light
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박종명
진원혁
조용호
서혜경
김외동
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LG Electronics Inc
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LG Electronics Inc
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    • G01N21/53—Scattering, i.e. diffuse reflection within a body or fluid within a flowing fluid, e.g. smoke
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    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence

Definitions

  • the present embodiments relate to a scattered light and fluorescence detection device, and more specifically, to a scattered light and fluorescence detection device capable of detecting both scattered light and fluorescence.
  • bioaerosols biological particles such as viruses, bacteria, and fungal spores floating in the air are important in various fields such as public health, environmental monitoring, and life science research.
  • the present invention is intended to solve the above-described problems, and the technical task of embodiments of the present invention is to provide a scattered light and fluorescence detection device in which a fluorescence detection unit and a scattered light detection unit are positioned on the same plane.
  • the embodiments of the present invention have as their technical object the provision of a scattered light and fluorescence detection device that specifies the formation location of a fluorescence detection portion.
  • a scattered light and fluorescence device may include a light source unit that irradiates light, a flow path unit that transports particles and forms an area where the particles and the irradiated light meet, a fluorescence detection unit that detects fluorescence generated when the light is irradiated to the particles, a scattered light detection unit that is located on the same plane as the fluorescence detection unit and detects scattered light generated when the light is irradiated to the particles, a light collecting mirror that is located in an opposite direction from the fluorescence detection unit with respect to the flow path unit and collects fluorescence detected by the fluorescence detection unit, and an optical filter that blocks scattered light entering the fluorescence detection unit.
  • the particle includes a first particle positioned at an upper end of the passage portion and a second particle positioned at a lower end of the passage portion, and the fluorescence detection portion may be positioned between a first position where fluorescence generated by irradiating the light to the first particle is collected by the collecting mirror and a second position where fluorescence generated by irradiating the light to the second particle is collected by the collecting mirror.
  • the focus of the light can be formed inside the euro portion.
  • the collecting mirror may be formed into a spherical shape or an aspherical shape.
  • the center of the euro section can be formed between a position corresponding to r/2 from the collecting mirror and a position corresponding to r from the collecting mirror.
  • the optical filter may transmit wavelengths longer than the wavelength of the light and block wavelengths equal to the wavelength of the light.
  • the optical filter may be formed between the fluorescence detection unit and the fluorophore unit.
  • the light source unit may further include a light removal unit that receives light that does not encounter the particles among the light irradiated by the light source unit.
  • the scattered light detection unit may be positioned a certain distance apart from the fluorescence detection unit.
  • a scattered light and fluorescence detection device in which a fluorescence detection unit and a scattered light detection unit are positioned on the same plane, there is an effect of providing a high optical detection rate using a simple structure and an inexpensive optical system.
  • FIG. 1 is a drawing showing a scattered light and fluorescence detection device according to embodiments.
  • Figure 2 is a cross-sectional view showing the A-A section of Figure 1.
  • Figure 3 is a cross-sectional view showing the B-B section of Figure 1.
  • FIG. 4 is a plan view showing a scattered light and fluorescence detection device according to embodiments.
  • FIG. 5 is a side view showing a scattered light and fluorescence detection device according to embodiments.
  • FIG. 6 is a drawing for explaining the position where the focus of light of the scattered light and fluorescence detection device according to the embodiments is formed.
  • FIG. 7 is a drawing for explaining the location of the fluorescence detection unit of the scattered light and fluorescence detection device according to embodiments.
  • FIG. 1 is a drawing showing a scattered light and fluorescence detection device according to embodiments.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing the A-A section of FIG. 1.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing the B-B section of FIG. 1.
  • the scattered light and fluorescence detection device (1000) illustrated in FIGS. 2 and 3 corresponds to the scattered light and fluorescence detection device (1000) illustrated in FIG. 1.
  • a scattered light and fluorescence detection device (1000) may include a light source unit (100), a flow path unit (200), a light collection mirror (300), a fluorescence detection unit (400), a scattered light detection unit (500), and a stray light removal unit (600).
  • the light source unit (100) is configured to irradiate light, and the light irradiated by the light source unit (100) may be formed in a visible wavelength range. At this time, the light irradiated by the light source unit (100) may correspond to light that can generate fluorescence and scattered light by encountering particles transported within the path unit (200), as will be described later.
  • the light source unit (100) may correspond to a laser diode.
  • the scattered light and fluorescence detection device (1000) may further include a lens (101) to adjust the focus of light irradiated from the light source unit (100). That is, the device may further include a lens (101) that adjusts the refraction of light to adjust the position of the focus of the irradiated light. A detailed description thereof will be given with reference to FIGS. 4 to 6.
  • the flow path (200) is configured to transport particles, and an area can be formed where light irradiated by the light source (100) and particles can meet each other. That is, as shown in Fig. 1, light irradiated by the light source (100) can meet particles transported inside the flow path (200). At this time, the particles transported in the flow path (200) can correspond to bioaerosols floating in the air.
  • the light irradiated by the light source unit (100) may encounter particles transported inside the path unit (200) in the area where the light collection mirror (300) is located.
  • the path unit (200) may include a fan (201) to enable particles to be transported in one direction inside.
  • the light collecting mirror (300) may be positioned in a direction facing the fluorescence detection unit (400). More specifically, the light collecting mirror (300) may be positioned in an opposite direction to the fluorescence detection unit (400) with respect to the path section (200).
  • the light collecting mirror (300) may be formed in a spherical or aspherical shape so that the fluorescence, which is a detection target of the fluorescence detection unit (400), may be collected and the collected fluorescence may be introduced into the fluorescence detection unit (400). A detailed description of the light collecting mirror (300) will be described with reference to FIGS. 4 and 5.
  • the fluorescence detection unit (400) can detect fluorescence generated when light is irradiated on particles, and the scattered light detection unit (500) can detect scattered light generated when light is irradiated on particles.
  • Fluorescence is a phenomenon in which a specific substance absorbs light and then emits light of lower energy (longer wavelength)
  • scattered light is a phenomenon in which light interacts with particles or molecules and is scattered at various angles.
  • the scattered light and fluorescence detection device (1000) has the effect of being able to simultaneously detect fluorescence and scattered light generated when light irradiated from the light source unit (100) encounters particles moving inside the path unit (200) using the fluorescence detection unit (400) and the scattered light detection unit (500).
  • the fluorescence detection unit (400) may be formed at a position facing the light collection mirror (300). That is, as shown in FIG. 2, the fluorescence detection unit (400) may be positioned below the light collection mirror (300) so that all of the fluorescence collected by the light collection mirror (300) may be introduced.
  • the scattered light detection unit (500) may be positioned on the same plane as the fluorescence detection unit (400). That is, both the scattered light detection unit (500) and the fluorescence detection unit (400) may be formed on the same printed circuit board (PCB).
  • PCB printed circuit board
  • the scattered light and fluorescence detection device (1000) has a simpler structure since the fluorescence detection unit (400) and the scattered light detection unit (500) are positioned on the same plane, unlike the conventional scattered light and fluorescence detection devices, and has the effect of being able to design a configuration at a low cost while providing a high optical detection rate.
  • a high optical detection rate can be provided by efficiently setting the position of the focus of the light irradiated by the light source unit (100) and the positional relationship between the light collection mirror (300) and the path unit (200) or the fluorescence detection unit (400). A detailed description thereof will be given with reference to FIGS. 6 and 7.
  • the light removal unit (600) is a configuration that removes light that does not encounter particles located inside the path unit (200) among the light irradiated from the light source unit (100). That is, light that does not encounter particles among the light irradiated from the light source unit (100) and thus does not generate fluorescence or scattered light is incident on the light removal unit (600) and can be removed inside the light removal unit (600).
  • Fig. 4 is a plan view showing a scattered light and fluorescence detection device according to embodiments.
  • Fig. 5 is a side view showing a scattered light and fluorescence detection device according to embodiments.
  • the scattered light and fluorescence detection device (1000) illustrated in FIGS. 4 and 5 corresponds to the scattered light and fluorescence detection device (1000) illustrated in FIGS. 1 to 3.
  • light irradiated from the light source unit (100) can encounter particles located inside the path unit (200) by the lens (101). More specifically, the focus of light irradiated from the light source unit (100) can be located inside the path unit (200) by the lens (101). A detailed description of this will be described in FIG. 6.
  • both fluorescence and scattered light may be generated depending on the wavelength of the light and the characteristics of the particle.
  • the generated fluorescence may move directly to the fluorescence detection unit (400) or may be reflected by the light-collecting mirror (300) and move to the fluorescence detection unit (400). That is, the fluorescence detected by the fluorescence detection unit (400) may include fluorescence that is generated by irradiating light on the particle and moves directly to the fluorescence detection unit (400), and fluorescence that is generated by irradiating light on the particle and moves to the light-collecting mirror (300), is reflected by the light-collecting mirror (300), and moves to the fluorescence detection unit (400).
  • the scattered light and fluorescence detection device (1000) has the effect of increasing the amount of fluorescence light detected by the fluorescence detection unit (400) by the light collection mirror (300).
  • the generated scattered light can move directly to the scattered light detection unit (500). That is, the scattered light detected by the scattered light detection unit (500) can include only the scattered light that moves directly to the scattered light detection unit (500) among the scattered light generated when light is irradiated on the particle.
  • the scattered light and fluorescence detection device (1000) may further include an optical filter (410) to prevent scattered light generated when light is irradiated on particles from moving to the light collection mirror (300) and scattered light reflected from the light collection mirror (300) from entering the fluorescence detection unit (400). That is, the optical filter (410) may allow fluorescence entering the fluorescence detection unit (400) to pass and block scattered light entering the fluorescence detection unit (400).
  • the optical filter (410) may include a filter using a dielectric coating or a filter absorbing a selective wavelength.
  • the optical filter (410) can transmit a wavelength corresponding to a fluorescence wavelength and block a wavelength corresponding to a scattered light wavelength.
  • the fluorescence wavelength may correspond to 500 nm to 600 nm
  • the scattered light wavelength may correspond to 405 nm to 450 nm.
  • FIG. 6 is a drawing for explaining the position where the focus of light of the scattered light and fluorescence detection device according to the embodiments is formed. More specifically, FIG. 6 is a drawing for explaining the difference in the area where light and particles can collide according to the movement of the position of the focus of light.
  • the euro section (200) illustrated in Fig. 6 corresponds to the euro section (200) illustrated in Figs. 1 to 5.
  • FIG. 6 is a drawing showing a case where the focus of light is formed at the center of the flow path (200). Assuming that the width of the flow path (200) is W, the height of the flow path (200) is H, and the vertical angle of the light irradiated by the light source (100) is a, the area S where the light meets the particles located inside the flow path (200) can satisfy the following mathematical expression 1.
  • FIG. 6 is a drawing showing a case where the focus of light is formed on the right side of the path section (200). More specifically, (b) of FIG. 6 shows a case where the focus of light is located inside the path section (200) and at the same time located farthest from the light source section (100). Similarly, assuming that the width of the path section (200) is W, the height of the path section (200) is H, and the vertical angle of the light irradiated by the light source section (100) is a, the area S' where the light meets the particle located inside the path section (200) can satisfy the following mathematical expression 2.
  • FIG. 6 is a drawing showing a case where the focus of light is formed on the left side of the path section (200). More specifically, (c) of FIG. 6 shows a case where the focus of light is located inside the path section (200) and at the same time closest to the light source section (100). Similarly, assuming that the width of the path section (200) is W, the height of the path section (200) is H, and the vertical angle of the light irradiated by the light source section (100) is a, the area S" where the light meets a particle located inside the path section (200) can satisfy the following mathematical expression 3.
  • the position at which the focus of the light irradiated from the light source unit (100) is formed closer or farther from the light source unit (100) relative to the center of the flow path unit (200), rather than the center, may correspond to a case where the area where the light meets the particles located inside the flow path unit (200) is large.
  • the area where the light meets the particles located inside the flow path unit (200) may be twice as large when the position at which the focus of the light irradiated from the light source unit (100) is formed in front or behind the center of the flow path unit (200) than when the position at which the focus of the light irradiated from the light source unit (100) is formed in front or behind the center of the flow path unit (200).
  • the light irradiated by the light source unit (100) be formed with a focus inside the path unit (200), and among these, it may be preferable that the focus be formed close to or far from the light source unit (100) with respect to the center of the path unit (200).
  • FIG. 7 is a drawing for explaining the location of the fluorescence detection unit of the scattered light and fluorescence detection device according to embodiments.
  • the euro section (200) illustrated in Fig. 7 corresponds to the euro section (200) illustrated in Figs. 1 to 6.
  • the light collecting mirror (300) illustrated in Fig. 7 corresponds to the light collecting mirror (300) illustrated in Figs. 1 to 5.
  • the center of the flow path (200) can be located between r/2, which is the focus of the collecting mirror (300), and r, which is the radius of the collecting mirror (300).
  • the collecting mirror (300) can be formed in a spherical shape or an aspherical shape.
  • the scattered light and fluorescence detection device (1000) has the effect that, by positioning the center of the filament (200) between r/2, which is the focus of the light-collecting mirror (300), and r, which is the radius of the light-collecting mirror (300), even if the point at which scattered light and fluorescence are generated is changed up and down, all generated scattered light and fluorescence can reach the scattered light detection unit (500) and the fluorescence detection unit (400), respectively.
  • the position at which the fluorescence detection unit (400) is formed may be located between the first position and the second position.
  • the first position may correspond to a position at which fluorescence generated by irradiating light to the first particle (white dot) located at the upper end of the flow path (200) is reflected by the collecting mirror (300), and the reflected fluorescence is collected again.
  • the second position may correspond to a position at which fluorescence generated by irradiating light to the second particle (hatched dot) located at the lower end of the flow path (200) is reflected by the collecting mirror (300), and the reflected fluorescence is collected again.
  • the location of the fluorescence generated varies depending on the location of the particle existing inside the euro area (200), and likewise, the location at which the generated fluorescence is reflected and collected by the light collecting mirror (300) may also vary.
  • the scattered light and fluorescence detection device (1000) has the effect of more efficiently increasing the amount of fluorescence light entering the fluorescence detection unit (400) by arranging the fluorescence detection unit (400) between the position where fluorescence generated by particles located at the upper end of the flow path (200) is collected and the position where fluorescence generated by particles located at the lower end is collected.

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Abstract

본 명세는 산란광 및 형광 검출 장치에 관한 것이다. 이에 따른 산란광 및 형광 검출 장치는, 광을 조사하는 광원부, 입자를 이송하고, 상기 입자와 조사된 상기 광이 만나는 영역이 형성되는 유로부, 상기 입자에 상기 광이 조사됨으로써 발생하는 형광을 검출하는 형광 검출부, 상기 형광 검출부와 동일한 평면 상에 위치하고, 상기 입자에 상기 광이 조사됨으로써 발생하는 산란광을 검출하는 산란광 검출부, 상기 유로부를 기준으로 상기 형광 검출부와 반대 방향에 위치하고, 상기 형광 검출부가 검출하는 형광을 집광하는 집광 미러 및 상기 형광 검출부로 유입되는 산란광을 차단하는 광학 필터를 포함할 수 있다.

Description

산란광 및 형광 검출 장치
본 실시예들은 산란광 및 형광 검출 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 산란광과 형광을 모두 검출할 수 있는 산란광 및 형광 검출 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 공기 중에 부유하는 바이오에어로졸(바이러스, 박테리아, 곰팡이 포자 등 생물학적 입자)을 측정하는 기술은 공중 보건, 환경 모니터링, 생명 과학 연구 등 다양한 분야에서 중요하다.
특히, 바이오에어로졸의 크기뿐만 아니라 구체적인 특성과 농도를 정확하게 판단하기 위해 바이오에어로졸에 레이저를 조사함으로써 발생하는 형광과 산란광을 모두 검출하는 기술이 발전하고 있다.
그러나, 바이오에어로졸을 측정하기 위해서는 형광과 산란광을 각각 분리하여 수광해야 하는데, 형광 검출부와 산란 검출부가 분리됨으로써 시스템의 부피가 증가하고 조립성이 나빠지는 등의 문제가 있어 제품화가 어렵다는 단점이 존재한다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 실시예들은 형광 검출부와 산란광 검출부를 동일한 평면 상에 위치시키는 산란광 및 형광 검출 장치를 제공하는 것을 그 기술적 과제로 한다.
또한, 본 발명의 실시예들은 형광 검출부의 형성 위치를 특정하는 산란광 및 형광 검출 장치를 제공하는 것을 그 기술적 과제로 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 전술한 것에 한정되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 바와 같은 기술적 과제를 해결하기 위한 실시예들에 따른 산란광 및 형광 장치는, 광을 조사하는 광원부, 입자를 이송하고, 상기 입자와 조사된 상기 광이 만나는 영역이 형성되는 유로부, 상기 입자에 상기 광이 조사됨으로써 발생하는 형광을 검출하는 형광 검출부, 상기 형광 검출부와 동일한 평면 상에 위치하고, 상기 입자에 상기 광이 조사됨으로써 발생하는 산란광을 검출하는 산란광 검출부, 상기 유로부를 기준으로 상기 형광 검출부와 반대 방향에 위치하고, 상기 형광 검출부가 검출하는 형광을 집광하는 집광 미러 및 상기 형광 검출부로 유입되는 산란광을 차단하는 광학 필터를 포함할 수 있다.
실시예들에 따라, 상기 입자는 상기 유로부의 상단에 위치하는 제1 입자와 상기 유로부의 하단에 위치하는 제2 입자를 포함하고, 상기 형광 검출부는 상기 제1 입자에 상기 광이 조사됨으로써 발생하는 형광이 상기 집광 미러에 의해 집광되는 제1 위치와 상기 제2 입자에 상기 광이 조사됨으로써 발생하는 형광이 상기 집광 미러에 의해 집광되는 제2 위치의 사이에 위치할 수 있다.
실시예들에 따라, 상기 광의 초점은 상기 유로부의 내부에 형성될 수 있다.
실시예들에 따라, 상기 집광 미러는 구면 형상 또는 비구면 형상으로 형성될 수 있다.
실시예들에 따라, 상기 집광 미러의 반지름이 r인 경우, 상기 유로부의 센터는 상기 집광 미러로부터 r/2에 대응하는 위치와 상기 집광 미러로부터 r에 대응하는 위치의 사이에 형성될 수 있다.
실시예들에 따라, 상기 광학 필터는 상기 광의 파장보다 긴 파장은 투과시키고, 상기 광의 파장과 동일한 파장은 차단시킬 수 있다.
실시예들에 따라, 상기 광학 필터는 상기 형광 검출부와 상기 유로부의 사이에 형성될 수 있다.
실시예들에 따라, 상기 광원부가 조사하는 광 중 상기 입자와 만나지 않은 광이 입사되는 잡광 제거부를 더 포함할 수 있다.
실시예들에 따라, 상기 산란광 검출부는 상기 형광 검출부와 일정 거리 이격되어 위치할 수 있다.
실시예들에 따르면, 형광 검출부와 산란광 검출부를 동일한 평면 상에 위치시키는 산란광 및 형광 검출 장치를 제공함으로써, 구조가 단순하면서 동시에 저가의 광학계를 이용해 높은 광학적 검출율을 제공할 수 있다는 효과가 있다.
실시예들에 따르면, 형광 검출부의 형성 위치를 특정하는 산란광 및 형광 검출 장치를 제공함으로써, 형광 검출부가 검출하는 형광의 광량을 효율적으로 높일 수 있다는 효과가 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 실시예들에 따른 산란광 및 형광 검출 장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 A-A 단면을 나타내는 단면도이다.
도 3은 도 1의 B-B 단면을 나타내는 단면도이다.
도 4는 실시예들에 따른 산란광 및 형광 검출 장치를 나타내는 평면도이다.
도 5는 실시예들에 따른 산란광 및 형광 검출 장치를 나타내는 측면도이다.
도 6은 실시예들에 따른 산란광 및 형광 검출 장치의 광의 초점이 형성되는 위치를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 실시예들에 따른 산란광 및 형광 검출 장치의 형광 검출부의 위치를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수개의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 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.
도 1은 실시예들에 따른 산란광 및 형광 검출 장치를 나타내는 도면이다. 도 2는 도 1의 A-A 단면을 나타내는 단면도이다. 도 3은 도 1의 B-B 단면을 나타내는 단면도이다.
도 2 및 도 3에 도시된 산란광 및 형광 검출 장치(1000)는 도 1에 도시된 산란광 및 형광 검출 장치(1000)에 대응한다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 실시예들에 따른 산란광 및 형광 검출 장치(1000)는 광원부(100), 유로부(200), 집광 미러(300), 형광 검출부(400), 산란광 검출부(500), 잡광 제거부(600)를 포함할 수 있다.
광원부(100)는 광을 조사하는 구성으로, 광원부(100)가 조사하는 광은 가시 영역 파장대로 이루어질 수 있다. 이때, 광원부(100)가 조사하는 광은 후술하겠지만 유로부(200)의 내부에서 이송되는 입자와 만남으로써 형광과 산란광을 발생시킬 수 있는 광에 해당할 수 있다. 예를 들어, 광원부(100)는 레이저 다이오드(Laser Diode)에 해당할 수 있다.
또한, 실시예들에 따른 산란광 및 형광 검출 장치(1000)는 광원부(100)에서 조사되는 광의 초점을 조절하기 위해 렌즈(101)를 더 포함할 수 있다. 즉, 조사되는 광의 초점의 위치를 조절하기 위해 광의 굴절을 조절하는 렌즈(101)를 더 포함할 수 있다. 이에 대한 자세한 설명은 도 4 내지 도 6에서 설명하도록 한다.
유로부(200)는 입자를 이송하는 구성으로, 광원부(100)가 조사하는 광과 입자가 서로 만날 수 있는 영역이 형성될 수 있다. 즉, 도 1에 도시된 바와 같이, 광원부(100)가 조사하는 광은 유로부(200)의 내부에서 이송되는 입자와 만날 수 있다. 이때, 유로부(200)에서 이송되는 입자는 공기 중에 부유하는 바이오에어로졸(bioaerosol)에 해당할 수 있다.
보다 구체적으로는, 광원부(100)가 조사하는 광은 집광 미러(300)가 위치하는 영역에서 유로부(200)의 내부에서 이송되는 입자와 만날 수 있다. 또한, 유로부(200)는 내부에 입자가 한 방향으로 이송할 수 있도록 하기 위해 팬(201)을 포함할 수 있다.
집광 미러(300)는 형광 검출부(400)와 마주보는 방향에 위치할 수 있다. 보다 구체적으로는, 집광 미러(300)는 유로부(200)를 기준으로 형광 검출부(400)와 반대 방향에 위치할 수 있다. 집광 미러(300)는 형광 검출부(400)의 검출 대상인 형광을 집광하고, 집광한 형광이 형광 검출부(400)로 유입될 수 있도록 구면 형상 또는 비구면 형상으로 이루어질 수 있다. 집광 미러(300)에 대한 자세한 설명은 도 4 및 도 5에서 설명하도록 한다.
형광 검출부(400)는 입자에 광이 조사됨으로써 발생하는 형광을 검출하고, 산란광 검출부(500)는 입자에 광이 조사됨으로써 발생하는 산란광을 검출할 수 있다. 형광(fluorescence)은 특정 물질이 빛을 흡수한 후, 더 낮은 에너지(긴 파장)의 빛을 방출하는 현상이고, 산란광(scattered light)은 빛이 입자나 분자와 상호작용하여 다양한 각도로 흩어지는 현상이다.
따라서, 실시예들에 따른 산란광 및 형광 검출 장치(1000)는 광원부(100)에서 조사되는 광이 유로부(200)의 내부에서 이동하는 입자와 만남으로써 발생하는 형광과 산란광을 형광 검출부(400)와 산란광 검출부(500)를 이용해 동시에 검출할 수 있다는 효과가 있다.
형광 검출부(400)는 집광 미러(300)와 마주보는 위치에 형성될 수 있다. 즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 형광 검출부(400)는 집광 미러(300)에서 집광된 형광이 모두 유입될 수 있도록 집광 미러(300)의 아래 측에 위치할 수 있다.
산란광 검출부(500)는 형광 검출부(400)와 동일한 평면 상에 위치할 수 있다. 즉, 산란광 검출부(500)와 형광 검출부(400)는 모두 동일한 인쇄회로기판(Printed Circuit Board, PCB) 상에 형성될 수 있다.
따라서, 실시예들에 따른 산란광 및 형광 검출 장치(1000)는 종래의 산란광 및 형광 검출 장치와 달리 형광 검출부(400)와 산란광 검출부(500)가 동일한 평면 상에 위치함으로써 구조가 보다 단순해지고 특히 저가로 구성을 설계함과 동시에 높은 광학적 검출율을 제공할 수 있다는 효과가 있다. 특히, 광원부(100)가 조사하는 광의 초점의 위치 및 집광 미러(300)와 유로부(200) 또는 형광 검출부(400) 간의 위치 관계를 효율적으로 설정함으로써 높은 광학적 검출율을 제공할 수 있다. 이에 대한 자세한 설명은 도 6 및 도 7에서 설명하도록 한다.
잡광 제거부(600)는 광원부(100)에서 조사되는 광 중 유로부(200)의 내부에 위치하는 입자와 만나지 않은 광을 제거하는 구성이다. 즉, 광원부(100)에서 조사되는 광 중 입자와 만나지 않아 형광 또는 산란광을 발생하지 않은 광은 잡광 제거부(600)로 입사되고, 잡광 제거부(600)의 내부에서 제거될 수 있다.
도 4는 실시예들에 따른 산란광 및 형광 검출 장치를 나타내는 평면도이다. 도 5는 실시예들에 따른 산란광 및 형광 검출 장치를 나타내는 측면도이다.
도 4 및 도 5에 도시된 산란광 및 형광 검출 장치(1000)는 도 1 내지 도 3에 도시된 산란광 및 형광 검출 장치(1000)에 대응된다.
이하, 도 4 및 도 5를 참조하여 실시예들에 따른 산란광 및 형광 검출 장치(1000)에 대해 보다 자세히 설명하도록 한다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 광원부(100)에서 조사되는 광은 렌즈(101)에 의해 유로부(200)의 내부에 위치한 입자와 만날 수 있다. 보다 구체적으로는, 광원부(100)에서 조사되는 광의 초점은 렌즈(101)에 의해 유로부(200)의 내부에 위치할 수 있다. 이에 대한 자세한 설명은 도 6에서 설명하도록 한다.
입자에 광이 조사된 경우, 광의 파장대 및 입자의 특성에 의해 형광과 산란광이 모두 발생할 수 있다. 이때, 발생한 형광은 곧바로 형광 검출부(400)로 이동할 수도 있고, 집광 미러(300)에 반사되어 형광 검출부(400)로 이동할 수 있다. 즉, 형광 검출부(400)가 검출하는 형광은 입자에 광이 조사됨으로써 발생한 형광 중 곧바로 형광 검출부(400)로 이동한 형광과 입자에 광이 조사됨으로써 발생한 형광 중 집광 미러(300)로 이동하고, 집광 미러(300)에서 반사되어 형광 검출부(400)로 이동한 형광을 포함할 수 있다.
따라서, 실시예들에 따른 산란광 및 형광 검출 장치(1000)는 집광 미러(300)에 의해 형광 검출부(400)가 검출하는 형광의 광량을 늘릴 수 있다는 효과가 있다.
그리고, 형광과 달리 발생한 산란광은 곧바로 산란광 검출부(500)로 이동할 수 있다. 즉, 산란광 검출부(500)가 검출하는 산란광은 입자에 광이 조사됨으로써 발생한 산란광 중 곧바로 산란광 검출부(500)로 이동한 산란광만을 포함할 수 있다.
이때, 실시예들에 따른 산란광 및 형광 검출 장치(1000)는 입자에 광이 조사됨으로써 발생한 산란광 중 집광 미러(300)로 이동하고, 집광 미러(300)에서 반사되는 산란광이 형광 검출부(400)로 유입되는 것을 방지하기 위해 광학 필터(410)를 더 포함할 수 있다. 즉, 광학 필터(410)는 형광 검출부(400)로 유입되는 형광은 통과시키고 형광 검출부(400)로 유입되는 산란광은 차단시킬 수 있다. 예를 들어, 광학 필터(410)는 유전체 코팅을 이용하는 필터 또는 선택적 파장을 흡수하는 필터를 포함할 수 있다.
보다 구체적으로는 광학 필터(410)는 형광 파장에 대응하는 파장은 투과시키고, 산란광 파장에 대응하는 파장은 차단시킬 수 있다. 이때, 형광 파장은 500nm~600nm에 해당할 수 있고, 산란광 파장은 405nm~450nm에 해당할 수 있다.
도 6은 실시예들에 따른 산란광 및 형광 검출 장치의 광의 초점이 형성되는 위치를 설명하기 위한 도면이다. 보다 구체적으로는, 도 6은 광의 초점의 위치의 이동에 따른 입자와 광의 충돌이 가능한 면적의 차이를 설명하기 위한 도면이다.
도 6에 도시된 유로부(200)는 도 1 내지 도 5에 도시된 유로부(200)에 대응된다.
먼저, 도 6의 (a)를 참조하면, 도 6의 (a)는 광의 초점이 유로부(200)의 센터에 형성되는 경우를 나타내는 도면이다. 유로부(200)의 폭을 W, 유로부(200)의 높이를 H, 광원부(100)가 조사하는 광의 수직 각도를 a라고 가정한 경우, 유로부(200)의 내부에 위치한 입자와 광이 만나는 면적 S는 하기 수학식 1을 만족할 수 있다.
Figure PCTKR2024008515-appb-img-000001
그리고, 도 6의 (b)를 참조하면, 도 6의 (b)는 광의 초점이 유로부(200)의 오른쪽에 형성되는 경우를 나타내는 도면이다. 보다 구체적으로는 도 6의 (b)는 광의 초점이 유로부(200)의 내부에 위치하고, 동시에 광원부(100)와 가장 멀리 위치한 경우를 나타낸다. 마찬가지로, 유로부(200)의 폭을 W, 유로부(200)의 높이를 H, 광원부(100)가 조사하는 광의 수직 각도를 a라고 가정한 경우, 유로부(200)의 내부에 위치한 입자와 광이 만나는 면적 S'는 하기 수학식 2를 만족할 수 있다.
Figure PCTKR2024008515-appb-img-000002
마지막으로, 도 6의 (c)를 참조하면, 도 6의 (c)는 광의 초점이 유로부(200)의 왼쪽에 형성되는 경우를 나타내는 도면이다. 보다 구체적으로는 도 6의 (c)는 광의 초점이 유로부(200)의 내부에 위치하고, 동시에 광원부(100)와 가장 가깝게 위치한 경우를 나타낸다. 마찬가지로, 유로부(200)의 폭을 W, 유로부(200)의 높이를 H, 광원부(100)가 조사하는 광의 수직 각도를 a라고 가정한 경우, 유로부(200)의 내부에 위치한 입자와 광이 만나는 면적 S"는 하기 수학식 3을 만족할 수 있다.
Figure PCTKR2024008515-appb-img-000003
수학식 1 내지 3에 따르면, 광원부(100)에서 조사되는 광의 초점이 맺히는 위치는 유로부(200)의 중심이 아닌 중심을 기준으로 광원부(100)와 가깝게 또는 멀게 형성되는 경우가 유로부(200)의 내부에 위치한 입자와 광이 만나는 면적이 큰 경우에 해당할 수 있다. 즉, 유로부(200)의 내부에서 이동하는 입자의 유량이 동일하다고 가정한 경우, 광원부(100)에서 조사되는 광의 초점이 맺히는 위치가 유로부(200)의 중심에 해당하는 경우보다 광원부(100)에서 조사되는 광의 초점이 맺히는 위치가 유로부(200)의 중심을 기준으로 앞 또는 뒤에 해당하는 경우가 유로부(200)의 내부에 위치한 입자와 광이 만나는 면적이 2배에 해당할 수 있다.
따라서, 광원부(100)가 조사하는 광은 초점이 유로부(200)의 내부에 형성되는 것이 바람직하며, 그 중에서도 초점이 유로부(200)의 중심을 기준으로 광원부(100)와 가깝게 또는 멀게 형성되는 것이 바람직할 수 있다.
도 7은 실시예들에 따른 산란광 및 형광 검출 장치의 형광 검출부의 위치를 설명하기 위한 도면이다.
도 7에 도시된 유로부(200)는 도 1 내지 도 6에 도시된 유로부(200)에 대응된다. 도 7에 도시된 집광 미러(300)는 도 1 내지 도 5에 도시된 집광 미러(300)에 대응된다.
도 7을 참조하면, 집광 미러(300)로부터 유로부(200)의 중심(센터)까지의 거리를 v, 집광 미러(300)의 반지름을 r이라고 한 경우, 유로부(200)의 중심은 집광 미러(300)의 초점인 r/2과 집광 미러(300)의 반지름인 r의 사이에 위치할 수 있다. 이때, 집광 미러(300)는 구면 형상 또는 비구면 형상으로 이루어질 수 있다.
따라서, 실시예들에 따른 산란광 및 형광 검출 장치(1000)는 유로부(200)가 중심이 집광 미러(300)의 초점인 r/2과 집광 미러(300)의 반지름인 r의 사이에 위치하도록 배치됨으로써 산란광과 형광이 발생하는 포인트가 위, 아래로 바뀌어도 모든 발생한 산란광과 형광이 각각 산란광 검출부(500)와 형광 검출부(400)로 도달할 수 있다는 효과가 있다.
또한, 도 7에 도시된 바와 같이 형광 검출부(400)가 형성되는 위치는 제1 위치와 제2 위치의 사이에 위치할 수 있다. 이때, 제1 위치는 유로부(200)의 상단부에 위치하는 제1 입자(하얀색 점)에 광이 조사됨으로써 발생하는 형광이 집광 미러(300)에 의해 반사되고, 반사된 형광이 다시 집광되는 위치에 해당할 수 있다. 그리고, 제2 위치는 유로부(200)의 하단부에 위치하는 제2 입자(빗금 점)에 광이 조사됨으로써 발생하는 형광이 집광 미러(300)에 의해 반사되고, 반사된 형광이 다시 집광되는 위치에 해당할 수 있다.
즉, 유로부(200)의 내부에 존재하는 입자의 위치에 따라 발생하는 형광의 위치가 달라지고, 마찬가지로 발생한 형광이 집광 미러(300)에 의해 반사되고, 집광되는 위치 또한 달라질 수 있다.
따라서, 실시예들에 따른 산란광 및 형광 검출 장치(1000)는 유로부(200)의 상단부에 위치하는 입자에 의해 발생하는 형광이 집광되는 위치와 하단부에 위치하는 입자에 의해 발생하는 형광이 집광되는 위치의 사이에 형광 검출부(400)를 배치시킴으로써, 형광 검출부(400)로 유입되는 형광의 광량을 보다 효율적으로 높일 수 있다는 효과가 있다.
상술한 바와 같이 개시된 본 발명의 바람직한 실시예들에 대한 상세한 설명은 당업자가 본 발명을 구현하고 실시할 수 있도록 제공되었다. 상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 본 발명의 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 당업자는 상술한 실시예들에 기재된 각 구성을 서로 조합하는 방식으로 이용할 수 있다.
따라서, 본 발명은 여기에 나타난 실시예들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다.

Claims (9)

  1. 광을 조사하는 광원부;
    입자를 이송하고, 상기 입자와 조사된 상기 광이 만나는 영역이 형성되는 유로부;
    상기 입자에 상기 광이 조사됨으로써 발생하는 형광을 검출하는 형광 검출부;
    상기 형광 검출부와 동일한 평면 상에 위치하고, 상기 입자에 상기 광이 조사됨으로써 발생하는 산란광을 검출하는 산란광 검출부;
    상기 유로부를 기준으로 상기 형광 검출부와 반대 방향에 위치하고, 상기 형광 검출부가 검출하는 형광을 집광하는 집광 미러; 및
    상기 형광 검출부로 유입되는 산란광을 차단하는 광학 필터를 포함하는, 산란광 및 형광 검출 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 입자는,
    상기 유로부의 상단에 위치하는 제1 입자와 상기 유로부의 하단에 위치하는 제2 입자를 포함하고,
    상기 형광 검출부는,
    상기 제1 입자에 상기 광이 조사됨으로써 발생하는 형광이 상기 집광 미러에 의해 집광되는 제1 위치와 상기 제2 입자에 상기 광이 조사됨으로써 발생하는 형광이 상기 집광 미러에 의해 집광되는 제2 위치의 사이에 위치하는, 산란광 및 형광 검출 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 광의 초점은 상기 유로부의 내부에 형성되는, 산란광 및 형광 검출 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 집광 미러는 구면 형상 또는 비구면 형상으로 형성되는, 산란광 및 형광 검출 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 집광 미러의 반지름이 r인 경우,
    상기 유로부의 센터는 상기 집광 미러로부터 r/2에 대응하는 위치와 상기 집광 미러로부터 r에 대응하는 위치의 사이에 형성되는, 산란광 및 형광 검출 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 광학 필터는,
    상기 광의 파장보다 긴 파장은 투과시키고, 상기 광의 파장과 동일한 파장은 차단시키는, 산란광 및 형광 검출 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 광학 필터는 상기 형광 검출부와 상기 유로부의 사이에 형성되는, 산란광 및 형광 검출 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 광원부가 조사하는 광 중 상기 입자와 만나지 않은 광이 입사되는 잡광 제거부를 더 포함하는, 산란광 및 형광 검출 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 산란광 검출부는 상기 형광 검출부와 일정 거리 이격되어 위치하는, 산란광 및 형광 검출 장치.
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