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근접장 마이크로파 현미경을 이용한 공진센서 제작 및 글루코스 측정에 관한 연구

The study for noninvasive measurement of glucose and development of resonant sensors based on near-field scanning microwave microscope

  • 김종철 (물리학과 고체물리전공)

초록/요약 도움말

글루코스 용액의 농도변화를 실시간 비침습적인 방법으로 감지하기 위하여 도파관 공진센서를 설계 제작하였다. 근접장 마이크로파 현미경(Near-field Scanning Microwave Microscope: NSMM)이론에 기반한 전송선로이론과 섭동이론을 가지고 측정된 정량적인 양들을 모델링하였다. 마이크로파 반사계수 S11과 공진주파수 변화 △f/f0 로 나타난 측정결과는 설정된 모델로 계산된 이론치와 잘 일치하였다. 글루코스 용액의 농도변화에 대하여 중요한 매개변수인 복소수 유전율(전도도와 비유전율)의 변화를 측정하였고 시뮬레이션을 통하여 확인하였다. 마이크로파를 사용하는 공진센서는 측정환경에 가장 적합하게 설계하는 것이 중요하다. 이를 위하여 DWFD 프로그램을 개발하였고 아래와 같은 여러 종류의 공진센서를 제작하였다. 1) 도파관 공동 공진기 내부에 유전체공진기를 가진 TE01δ 모드 공진센서 2) 직사각형 도파관 공동 공진센서 3) 내부에 홀을 가진 소형의 유전체 세라믹 도파관 공진센서 4) 탐침이 연결된 소형의 직사각형 유전체 공진센서 5) Spiral 구조의 마이크로스트립 공진센서 개발한 공진센서를 사용하여 NaCl 용액, 글루코스 용액, NaCl 과 글루코스의 혼합용액, 동물혈당, 그리고 인체혈당의 변화를 측정하였다. 마이크로파 반사계수 S11 은 NaCl 용액의 농도변화에 선형적으로 비례하였다. 이때, 측정된 SNR (Signal-to-Noise Ratio) 은 53 ㏈ 로 가장 최소로 감지할 수 있는 농도측정의 변화량은 약 0.005 ㎎/㎖ 이었다. 공진기의 Q인자를 증가시키면 그래프의 기울기가 증가하고 시료에 대한 시스템의 민감도 역시 함께 향상됨을 알 수 있었다. NaCl 용액의 온도와 부피변화에 따른 마이크로파 반사계수 S11을 측정하였다. NaCl 용액의 온도가 증가함에 용액의 유전율이 감소하면서 반사계수 S11이 감소하였다. 더불어 NaCl 유전율의 허수부(ε”)가 실수부(ε’) 보다 더 빠르게 감소하고 이는 손실인 tanδ 의 감소로 나타났다. 전기전도도 변화로 인한 NaCl 의 tanδ 를 측정하여 NaCl 과 글루코스 용액의 두 가지 다른 농도를 선택적으로 알 수 있었다. 실시간 모니터링이 가능한 공진센서 즉 바이오센서의 가능성을 보기 위하여 동물혈액 내 글루코스 농도변화를 측정하였다. 측정결과는 마이크로파 반사계수 S11과 공진주파수 변화 △f/f0 로 나타났다. 그러나 이론적 모델에 의해 계산된 것과 경향성은 같으나 차이를 보였다. 이는 실제 측정에 사용한 혈액은 헤모글로빈을 포함한 혈구와 여러 물질이 혼합된 혈장으로 구성되어 있고 여기에 빠른 응고를 방지하기 위하여 구연산 나트륨을 첨가한 것이 원인으로 판단된다. 모니터링을 진행하는 동안 마이크로파 신호의 실시간 변화는 명확하게 측정되었다. 예상한 바와 같이 인체 내 혈액을 채혈하지 않고 마이크로파 공진센서를 사용하여 실시간 글루코스 농도의 변화를 감지하는 것이 가능함을 보여주었다. 탐침을 사용한 센서의 경우 시뮬레이션을 통하여 근접장 영역에서 공진센서의 탐침과 글루코스 용액 사이의 상호작용을 볼 수 있었다. 글루코스의 농도가 증가하면 유전율이 증가하고 이는 센서와 글루코스 용액 사이의 전자기장의 상호작용을 감소시킨다. 즉, 초기 글루코스 용액의 농도가 0 ㎎/㎖인 증류수로 센서와 임피던스를 매칭시킨다. 그리고 유전율이 감소하면서 매칭은 깨지고 결국 반사계수 S11의 크기가 감소하게 된다. 이 사실은 인체의 혈당측정을 위하여 센서를 설계하고 시스템을 구성하는데 매우 중요한 요소이다. 최종적으로 혈당 측정기의 calibration 에 적용하였다. Spiral 구조의 마이크로스트립 공진센서는 소형이면서 제작이 간단하다. 또한 넓은 범위의 주파수영역에서 글루코스 농도변화를 관찰할 수 있는 장점을 가지고 있어 새로운 접근방식의 가능성을 볼 수 있었다. 앞서의 측정결과와 자료를 바탕으로 무채혈 방식의 바이오센서와 혈당 측정기를 제작하였다. 그리고 혈액의 글루코스 농도변화를 측정할 수 있는 임상테스트를 실시하였다. 혈당범위 70 ㎎/㎗ ~ 500 ㎎/㎗에서 상업적인 Glucosemeter와 비교하여 실시간 모니터링이 가능하였고 최소 5 ㎎/㎗의 혈당변화를 감지할 수 있음을 확인하였다. 이 결과는 D-글루코스 농도의 모니터링을 위한 감도와 공진센서의 유용성을 보여주었다. 잠재적으로는 인간의 혈당변화를 비침습적으로 측정이 가능함을 제시한 접근방식이다.

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초록/요약 도움말

We used an electromagnetic waveguide resonant sensor for real time measurement of glucose concentrations dissolved in water. The operation principle could be explained by the transmission and perturbation theory based on near-field scanning microwave microscope. We found a good agreement with theory and measurements of the reflection coefficient S11 and resonant frequency shift △f/f0 on the variation of glucose concentrations. We measured the behavior of complex permittivity (electric conductivity and dielectric permittivity) in relation to changes of glucose concentrations. The complex permittivity is established as a critical parameter to evaluate glucose concentrations. And we confirmed the near-field interaction between the complex permittivity and the glucose solution using HFSS simulation tool. It is important to design a resonance sensor which is most suitable to measurement conditions. So we have developed the DWFD (Direct coupled Waveguide Filter Design) program. And created the several kinds of sensors as below; 1) TE01δ mode resonant sensor with cylindrical dielectric resonator in the waveguide cavity resonator 2) Rectangular waveguide cavity resonant sensor 3) Miniature waveguide dielectric resonant sensor with cylindrical air gap coupled to a microstrip line 4) Waveguide dielectric resonant sensor with metal probe tip coupled to a microstrip line 5) Microstrip resonant sensor of spiral type We measured the variation of NaCl liquid, glucose concentration, mixture solution of NaCl and glucose, animal blood, and human blood by using the fabricated biosensor based on the design of a waveguide resonator. By increasing the Q factor of the resonator, the slope becomes steeper and the sensitivity can be further enhanced. We measured microwave reflection coefficient S11 as a function of temperature and volume. Compared to commercial Glucosemeters, biosensor could be applied for the real-time monitoring. Clinical tests were conducted for real time determination of glycemia in human-blood. We could determine the human glycemia with a minimal detectable signal level of about 5 ㎎/㎗ in the range of 70 ~ 500 ㎎/㎗. The results clearly show the sensitivity and usefulness of this microwave biosensor for real-time monitoring of glucose concentrations. Potentially it showed an available approach for noninvasive in-situ measurement of human glycemia.

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