화학적 또는 생물학적 물질의 분석 대상물 농도 측정시스템 및 방법 document_id A220623042770

다양한 화학 물질이 샘플에서 존재하는 물질의 농도에 비례하여 광을 흡수한다고 알려져 있다. 게다가, 이러한 물질을 통과하는 광은 그 물질의 흡광 특성 및 그 광이 통과하는 다른 임의의 매체의 특성에 의해 특징지어지는 흡광 스펙트럼을 갖고 있다. 이러한 흡광 스펙트럼은 분석을 위해 프리즘 형태로 나타낼 수 있다. 강도 손실 및 다른 흡광체로 인한 흡광 스펙트럼의 일부를 무시함으로써, 화학 물질의 스펙트럼을 분리할 수 있고 그 물질의 본질 및 농도를 결정할 수 있다. 무시 또는 참조화는 화학 물질의 부재시 광원의 흡광 스펙트럼 및 임의의 분광 광도 성분을 결정함으로써 행해진다. 참조화는 일반적으로 에러를 최소화하도록 시간 및 공간에 대하여 화학 물질의 흡광도 측정에 근접하게 행해진다. 화학 물질의 농도를 측정하는데 있어서 휴대용 배터리 전원공급 장치가 상업용으로 이용가능하다고 널리 알려져 있다. 그 예로는 Hach사의 휴대용 광도계 및 Merck사의 휴대용 반사계가 있다. 광도 시스템 및 반사 시스템의 상세한 설명은, Comprehensive Analytical Chemistry, Chemical Test Methods of Analysis, (Y. A. Zolotov et al., Elsevier, New York (2002)), 및 Review of Scientific Instruments, (Kostov, Y. and Rao, G. , Vol. 71, 4361, (2000))의 리뷰 페이퍼에 기재되어 있다. 이러한 시스템들을 이용함으로써 실험실 외부에서 화학 분석을 행하게 된다. 그러나, 아래와 같은 부분들에 대하여 개선할 필요가 있다. 1. 휴대용 기구를 이용한 일부 테스트에서 독성 또는 부식성 시약을 사용한다. 일부에서는 단일 테스트용으로 많은 양의 고체 시약을 사용한다. 예를 들어, 많은 Hach 테스트 방법들에서는 단일 분석 대상물에 대하여 200mg 이상의 고체 시약을 사용한다. 2. 운영자는 시약 및 샘플을 측정 유닛 내로 전달해야 한다. 샘플 조작 및 시약 핸들링은 화학 분석에 있어서 불편한 부분이며 운영자 간 에러를 증가시킨다. 3. 습식 화학 분석으로부터 발생하는 액체 폐기물은 적절한 법에 따라 안전하게 처리되어야 한다. 4. 현재 이용가능한 테스트 방법들로는 단일 테스트로 하나의 관련없는 분석 대상물 초과를 쉽게 결정할 수 없다. 5. 대부분의 휴대용 장치들은 데이터 해석 및 저장 기능을 갖고 있지만, 대부분의 테스트 결과는 여전히 데이터베이스로 수동으로 전달되어야 한다. 테스트 스트립을 이용하는 다른 방법들이 많은 분석 대상물에 대하여 반정량(semi-quantitative) 분석용으로 널리 시도되었다. 여기서, 광도계에 의해 판독되는 일회성 광학 센서 엘리먼트로 정량 결과를 얻을 수 있다. 대부분의 경우, 광학 센서 엘리먼트에 의해 단일 분석 대상물만이 결정된다. 투과 흡광도를 측정하기 때문에, 교정 없는 테스트를 위한 일회성 광학 센서 엘리먼트를 제조하기 어렵다. 일회성 화학 센서들은 당해 기술에 널리 알려져 있다. 예를 들어, 미국 특허번호 5,830,134는, 부분적 일회성 감시 유닛을 이용함으로써 발생하는 인자들처럼 많은 교란 인자들을 보상하도록 설계된 물리 화학적 파라미터들을 검출하는 센서 시스템을 개시하고 있으며, 이에 따라 교정 단계들이 필요 없게 된다. 다른 미국특허 5,156,972는, 흡광, 광 발산, 광 산란, 편광, 및 전자화학적 및 압전 측정 파라미터에 기초하는 화학 센서를 개시하고 있다. 광학 태건트(taggant) 및 화학 센서용 광학 산란 제어 방출이 미국 특허 6,528,318에 개시되어 있다. 참조 및 지시기 센서를 이용하는 센서 어레이는 알려져 있으며 미국 특허 4,225,410에 개시되어 있다. 여기서, 센서는 각 분석을 직접 판독할 수 있는 것처럼 개별적으로 교정될 수 있다. 미국 특허 5,738,992는 참조 물질을 활용하여 형광 도파관 센서 측정을 정정하는 방법을 개시하고 있다. 미국 특허 5,631,170은 도파관에 참조 시약으로 라벨링함으로써 형광 도파관 센서용 참조 방법을 교시하고 있다. 본 발명에서 사용되는 내부 흡광도 표준 방법은 여러 가지 면에서 종래 기술과 기본적으로 다르다는 점에 주목하길 바란다. 먼저, 본 발명에서 사용되는 다중각 산란 유도 흡광도 검출 기술은 입사 빔 파장과 대략 같은 크기의 막 두께를 갖는 얇은 엘리먼트를 사용하는 전통적인 감쇄 전반사(ATR) 센서와 다르다. 이러한 얇은 엘리먼트는 내부 참조용으로 기능하는 플루오로퍼(fluorophore)를 포함할 수도 있다. 반면, 본 시스템은 입사 빔 파장에 가까운 두께를 필요로 하지 않으며 흡광도에 기초하는 다른 내부 참조를 이용하는 두꺼운 막 엘리먼트에 속한다. 2개 파장 또는 이중 빔 방법들은 분광 광도 분석에 있어서 알려져 있다. "Referencing Systems for Evanescent Wave Sensors," (Stewart, G. et al., Proc. Of SPIE, 1314,262 (1990))에서는, 센서 표면상의 오염 영향을 보상하는 2개 파장 방법을 제안하고 있다. Loeppert의 미국 특허 4,760,250은, 피드백 제어 광원을 이용하여 광원 안정성 및 컴포넌트 에이징과 관련된 문제점들을 최소화하는 환경 특성을 측정하는 광전자 시스템을 개시하고 있다. 유사한 피드백 제어 2개 파장 방법이 Vurek의 미국 특허 3,799,672에 개시되어 있다. 이중 빔 반사 분광광도계가 "Optical Fiber Sensor for Detection of Hydrogen Cyanide in Air, " (Jawad, S. M. and Alder, J. F., Anal. Chien. Acta 259,246 (1991))에 개시되어 있다. Jawad 및 Alder의 방법에서는, 2개의 LED에 교대로 에너지를 공급하고 있다. 2개 파장에서의 출력들의 비를 이용하여 시안화 수소 검출용 센서 엘리먼트의 배경 흡광에 의해 야기된 에러를 줄인다. 이러한 2개 파장 방법들은 광원의 장기간 안정성 문제들 그리고 광학 및 기계적 컴포넌트 에이징에 의해 야기된 에러들을 최소화하는데 효과적이다. 그러나, 일회성 테스트 엘리먼트의 효과적인 광학 패스 길이에서의 변동과 관련된 에러들을 해결하지 못하고 있다. 폐기가능 또는 일회성 측정 장치를 포함하고 더 포함하는 일회성 센서 시스템이 미국 특허 5,114,859호에 개시되어 있다. 또한, 미국 특허 6,007,775에서는 미세가공(microfabricated) 센서들로 다중 분석 대상물들의 분석을 행하고 있다. "Application of a Plastic Evanescent-Wave Sensor to Immunological Measurements of CKMB," (Slovacek, R. E.; Love, W. F.; Furlong, S.C.., Sensors and Actuators B, 29, pp. 67-71, (1995))에서는, 넌 크리티컬 표면에 의해 핸들링되는 센서를 개선된 견고성을 갖추어 제조할 수 있다는 것을 증명하였다. 이러한 감지 엘리먼트는 감지 화학물들이 증착되는 단부가 둔감한 플라스틱 콘으로서 제조되었다. 감지 엘리먼트는 플라스틱으로부터 사출 성형되어, 상업용으로 이용가능하게 되었다. 결국, 알려져 있는 기존의 센서들은 필드 분석 응용을 위한 자신들의 응용성을 제한하는 여러 가지 현저한 단점이 있다. 이러한 단점들의 예는 아래와 같다. 1. 정밀한 판독을 수행하도록 센서에서 테스팅 스트립의 크리티컬 정렬이 필요하다. 2. 테스팅 스트립 품질에서의 변동(매입형 시약 농도, 효과적인 광학 경로 길이, 및 컴포넌트 에이징)에 의해 야기되는 에러들을 줄일 필요가 있다. 3. 테스팅 엘리먼트가 샘플에 노출될 때 이 엘리먼트에서의 물리적 변경으로 인해 야기되는 에러들, 예를 들어, 팽창, 수축, 또는/및 크레이징(crazing)과 같은 에러들을 줄일 필요가 있다. 4. 정밀 분석을 위한 화학 센서 응답에 있어서 스테디 스테이트 응답을 결정할 필요가 있다. 5. 비가역 화학물로부터 동적 센서 정보를 수집할 수 없다. 6. 샘플에 노출시 비가역 화학물로부터 실시간 정보를 수집할 수 없다. 7. 다중 비가역 화학물로부터의 동적 센서 정보를 분석할 수 없어 센서 시스템의 개선된 수량화 기능을 제공할 수 없다. 상술한 종래 기술에서의 단점들 때문에, 저 비용의 휴대성 및 교정 없는 센서 시스템을 제시하지 못하였다. 본 발명의 센서 시스템은 상술한 단점들을 해결하는 것이다. 특히, 본 발명의 센서는, 농도 레벨을 정량화하기 위해 샘플이 센서와 반응할 때 비가역 센서 화학물들의 동역학적 또는 동적 응답의 변경의 비율을 추적함으로써 동적 정보를 수집할 수 있다. 상술한 바를 고려할 때, 본 발명의 목적은 분석 대상물 농도의 정량 결정을 위한 휴대용 일회성 핸드헬드 센서 시스템을 제공하는 것이다. 또한, 새로운 각각의 분석 세트 전에 교정을 요구하지 않는 시스템을 제공하는 것이 바람직하다. 이러한 점에서, 본 시스템은 동일한 센서 엘리먼트에 대하여 이중 광 분석을 이용하며, 여기서 샘플 응답을 내부 참조와 비교하여, 새로운 각각의 분석 세트 전에 교정이 필요 없게 된다. 게다가, 내부 참조를 이용함으로써 장치에 대한 광학적 및 기계적 결합 요구사항들을 상당히 줄이고, 이에 따라 테스팅 결과의 정밀도에는 최소한의 영향을 끼치면서 제조 및 조립 프로세스의 비용 면에서 이점을 제공하게 된다. 본 발명의 다른 목적은, 정보 처리 유닛, 예를 들어, 포켓 퍼스널 컴퓨터 또는 무선 이동 전화나 위성과 통신할 수 있는 센서에 의해 분석 데이터를 조작, 전송, 또는 전자적으로 저장할 수 있는 센서를 제공하는 것이다. 본 발명은 어떠한 액체 시약도 필요하지 않은 일반적인 광도계 및/또는 분광 테스트 방법을 제공하는 점에 주목하길 바란다. 이것은 테스트를 간략화할 뿐만 아니라 독성 시약 재료의 핸들링 및 처리와 관련된 비용 및 노동 집약적 요구사항들을 줄인다.