[논문]내시경용 광섬유 pH 측정 센서 개발을 위한 기초 연구

이봉수; 홍주영; 황영묵; 조승현

doi:10.5369/jsst.2004.13.3.213

문제 정의

본 연구는 H. pylon 감염의 정도를 정량화 할 수 있는 광섬유 pH 측정 센서 개발을 위한 기초 연구로서, 수 · 발광점유를 사용하여 용액의 PH 변화에 따른 지시약의 변색 정도를 반사 광도로서 측정하였다. 또한 다양한 광원에 대한 민감도 분석 및 광섬유 센서와 시료 사이의 최적의 거리를 결정하였다.
본 연구의 목적은 H. pylori 감염 여부를 판별하고, 이를 정량적으로 판단하기 위해서 일반 위장 내시경 시술 시 함께 사용할 수 있는 광섬유 pH 측정 센서를 개발하는 것이다. 일반적으로 현재 알려져 있는 광을 이용한 pH 측정 센서는 흡광법과 형광법에 의한 것들이 있는데 흡광법을 이용한 것은 폴리아크릴아미드의 미소구에 페놀레드를 공유결합한 것을 센서 tip으로 사용하고 형광법을 이용한 것은 셀룰로오스막에 프롤레 센아민을 공유결합하여 센서 tip을 제작하게 된다^[6].

제안 방법

광섬유 pH 측정 센서 개발을 위한 실험 장치의 구성은 그림 2와 같다. 두 개의 광섬유를 나란히 붙여, 하나의 광섬유는 다양한 파장의 광원을 통과시켰고, 다른 광섬유로는 반사광을 수광하였다. 주위 빛의 영향을 최소화하기 위해서 수, 발광 광섬유, 시료, 광원 및 수광부는 암실에 위치시켰다.
2ml를 혼합하여 제작하였고, 시료용기의 바닥과 수, 발광 광섬유 끝단 사이의 최적의 거리(d)를 결정하기 위해서 xyz-포지션어를 이용하여 반사 수광량을 측정하였다. 또한 pH 값이 다른 5가지 시료를 각각 용기에 담고, 결정된 최적의 거리에 따라 7가지 광원에 대한 반사 수광량을 측정 한 후 반사 수광량과 pH 값과의 관계식을 도출하였다.
)를 사용하였는데 계측 가능한 범위는 400-1100 nm까지이다. 또한 photo-detector에 의해 측정된 전압의 증폭을 위해서 별도의 증폭장치(증폭도 15.1)와 LED에 안정한 전압공급을 위한 정전압원을 제작하였다.
pylon 감염의 정도를 정량화 할 수 있는 광섬유 pH 측정 센서 개발을 위한 기초 연구로서, 수 · 발광점유를 사용하여 용액의 PH 변화에 따른 지시약의 변색 정도를 반사 광도로서 측정하였다. 또한 다양한 광원에 대한 민감도 분석 및 광섬유 센서와 시료 사이의 최적의 거리를 결정하였다.
0에서 변색하며, 산성에서는 노란색, 염기성에서는 빨강색이다. 실험에 사용할 pH 시료를 제작하기 위해서 암모니아수(Duksan Pure Chemical Co.)와 acetic acid를 혼합하여 pH 6, 6.5, 7, 7.5, 8의 기준시료를 제작하였고, 전자식 pH-meter(Hanna instruments)를 사용하여 용액의 pH를 확인하였다.
주위 빛의 영향을 최소화하기 위해서 수, 발광 광섬유, 시료, 광원 및 수광부는 암실에 위치시켰다. 측정 시료는 각각의 기준 pH 용액 0.6ml에 0.05% 페놀레드 0.2ml를 혼합하여 제작하였고, 시료용기의 바닥과 수, 발광 광섬유 끝단 사이의 최적의 거리(d)를 결정하기 위해서 xyz-포지션어를 이용하여 반사 수광량을 측정하였다. 또한 pH 값이 다른 5가지 시료를 각각 용기에 담고, 결정된 최적의 거리에 따라 7가지 광원에 대한 반사 수광량을 측정 한 후 반사 수광량과 pH 값과의 관계식을 도출하였다.

대상 데이터

광원으로는 광섬유용 적외선(λ=950, 870 nm), 빨강색(λ=660 nm), 녹색(λ=7530 nm), 파란색(λ=430, 470 nm) LED(Industnial Fiber Optics, Inc.)와 Xe 백색광 총 7가 지를 사용하였다.본 광원은 별도의 구동회로가 필요없고 광섬유와 광원과의 연결이 용이하며 광원의 내부는 플라스틱 렌즈를 이용하여 광원과 광섬유간의 연결 손실을 줄일 수 있게 제작되어 있다.
실험에 사용한 광섬유의 core는 PMMA (Polymethylmethaciylate) 재질로 굴절률이 1.49, cladding은 1.402, 개구수(Numerical Aperture)는 0.504, 광섬유의 직경은 1.5mm, 길이는 10cm의 것을 사용하였다.
실험에 사용한 지시약으로는 페놀레드(phenol red, Samchun Pure Chemical Co.)로서, 대략 pH 6.0-8.0에서 변색하며, 산성에서는 노란색, 염기성에서는 빨강색이다. 실험에 사용할 pH 시료를 제작하기 위해서 암모니아수(Duksan Pure Chemical Co.

성능/효과

그러나 이 경우 역시 pH 값의 변화에 따른 반사 광량의 변화가 선형적이지 못하였고, pH의 변화에 따른 절대 수광량의 변화 또한 크지 않음을 알 수 있다. 광원의 파장이 470 nm인 파란색 광원과 950 nm인 적외선의 경우 시료의 pH가 증가함에 따라 반사 수광량은 대쳬적으로 감소하는 경항을 보였다.
이 결과 파장이 530 nm인 녹색 광이 pH 변화에 따른 페놀레드의 변색에 대해서 그 반사 정도가 가장 선형적으로 민감하게 변화함을 알 수 있고, 위장관 내의 pH 측정을 위한 광섬유 센서 제작시 최적의 광원이라고 할 수 있다.
특히 광원이 녹색 LED인 경우 pH 변화에 따른 시료의 변색 정도가 반사 수광량과 가장 선형적인 관계에 있음을 알 수 있고, pH 변화에 따른 절대 수광량의 측장값도 가장 큰 차이를 보이고 있 다. 이 경우 녹색 LED(λ=530 nm)는 시료의 pH가 6.0(노란색)일 때 광 흡수도가 가장 적었으며, 시료의 pH 가 8.0(빨강색)일 때 광 흡수도가 가장 크다는 사실을 알 수 있었고, 녹색 LED의 시료에 대한 반사 또는 흡수정도가 시료의 pH 변화에 따른 페놀레드의 변색 정도에 대해서 가장 민감하게 변화한다는 결과를 얻을 수 있었다. 적외선(λ=870 nm) LED를 광원으로 사용한 경우에는 시료의 pH 변화에 대해서 반사 또는 흡수의 변화가 어느 정도 선형적인 관계를 보였으나 절대 수광량의 차이가 크지 않았기 때문에 센서 제작에 적합한 광원이라고 할 수 없다.

후속연구

본 연구 결과, 개발 가능한 광섬유 pH 센서는 응답속도가 빠르고 전자기적 영향을 받지 않으며, 실시간으로 pH의 측정이 가능한 일반적인 광섬유 센서의 특징을 가지고 있을 뿐만 아니라, 특히 제작 및 원리가 간단하고 플라스틱 광섬유 자체의 유연한 재료적 장점을 가지고 있어소 내시경과 함께 사용이 가능할 것으로 기대된다^[8]. 또한 PH 측정범위가 6-8로 기존 센서들 보다 넓기 때문에 H. pylon의 진단이외에도 그 사용범위를 확대 시킬 수 있을 것이다.
4로 매우 좁은 단점을 가지고 있다^[7]. 본 연구 결과, 개발 가능한 광섬유 pH 센서는 응답속도가 빠르고 전자기적 영향을 받지 않으며, 실시간으로 pH의 측정이 가능한 일반적인 광섬유 센서의 특징을 가지고 있을 뿐만 아니라, 특히 제작 및 원리가 간단하고 플라스틱 광섬유 자체의 유연한 재료적 장점을 가지고 있어소 내시경과 함께 사용이 가능할 것으로 기대된다^[8]. 또한 PH 측정범위가 6-8로 기존 센서들 보다 넓기 때문에 H.
본 연구 결과, 개발 가능한 위 내시경용 광섬유 pH 센서는 H. pylon의 감염 여부를 판단 할 뿐만 아니라, 정량적인 평가가 가능할 것으로 기대된다.

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