Fluorescence technique is widely used in clinical, bioprocess, and environmental applications. To be practical for the applications, fluorescence technique requires a potable fluorescence detection systems. In this work, we demonstrate effective portable fluorescence detection systems using a smartphone that allows objective quantification of fluorescence signals. Parabolic reflector and compound parabolic concentrator (CPC) were used to enhance the collection efficiency of fluorescence. A smartphone was used as detector to quantify fluorescence light, to analyze the measurement results, and to send the data to the central server for data mining. Using the ray-tracing method, we analyzed the optical characteristics of the detection systems by changing maximum incident half angle of two reflectors. For fluorescent immunochromatographic strip test (FICT), the light collection efficiency of the proposed optical structures was experimentally found to be 100-fold higher than without optical structures. Our study results showed that for a NP antigen, conventional assays, such as dot-blot immunoassay and RDT, have a lower lowest detectable concentration (LDC), $250 ng/ 10 \mu L$, indicating that those methods were 5-fold less sensitive than the FICT assay using the suggested detector. For a subtype of avian influenza A, H7N1, the proposed system can more sensitively detect the antigen over a conventional fluorescence detector. We expect that the proposed fluorescence detection systems are extremely promising approaches for disease outbreak monitoring and real-time surveillance of emerging public health threats.
본 논문에서는 스마트폰의 촬영기능과 통신기능을 활용한 휴대용 형광측정 시스템에 대하여 논의한다. 제안된 시스템에서 포물면 반사거울 (Parabolic Reflector)과 복합 포물면 집광기 (Compound parabolic concentrator, CPC)를 통하여 버려지는 형광 신호를 집광하였으며, 전체적인 형광 신호의 세기를 큰 폭으로 향상시키는 것이 가능하다. 이론적인 접근과 광선 추적 시뮬레이션을 통해서 광학 구조를 분석하였고 최적화된 광학 구조를 설계하였다. 스마트폰의 촬영기능을 정량적 형광검출기로 사용하여 형광 신호의 세기를 객관적으로 수치화 할 수 있었고, 스마트폰의 계산 및 통신 기능을 사용하여 측정된 결과를 분석하고 중앙서버로 전송할 수 있도록 구현하였다.
여기 필터를 거쳐서 LED에서 나온 여기광이 포물면 반사거울의 초점에 위치한 형광 샘플을 여기시키고, 여기된 형광은 전 방향으로 방사된다. 전 방향으로 나온 형광은 포물면 반사거울에서 반사되어 직진성을 가지면서 광학필터를 지나 복합 포물면 집광기에 의해서 출구로 집광된다. 집광된 빛은 스마트폰에 의해서 정량적으로 검출되고, 분석된다. 스마트폰에서 분석된 자료는 중앙서버로 전송되어 데이터 마이닝을 위하여 데이터베이스에 저장된다. 저장된 데이터는 질병 지도 등의 방법으로 현장에서 활용될 수 있다.
제안된 시스템을 면역 크로마토그래피법 (FICT)을 적용하여 검증하였다. 집광형 광학구조가 없는 경우와 비교하였을 때 약 100배 정도 향상된 형광 신호를 실험적으로 얻을 수 있었으며, 스트립 형태의 FICT 기법을 사용하여 $50 ng/ 10 \mu L$ 의 검출한계로 NP Antigen과 H7N1의 검출이 가능함을 실험적으로 확인하였다. 본 연구에서 제안하는 스마트폰을 활용한 휴대용 형광측정 시스템은 현장 진단 분야에 있어서 실시간 검진 및 모니터링을 가능하게 하는 하나의 대안으로 기대된다.
