생물 의학에서 LIBS (LASER-INDUCED BREAKDOWN SPECTROSCOPY)의 응용 분야

Laser-Induced Breakdown Spectroscopy의 원리 

레이저 유도 플라즈마 분광법  (LIBS)은 생물 의학에서 커다란 잠재력을 가지고 있습니다. 이 기술은 레이저 펄스를 사용하여 이 기술은 레이저 펄스를 사용하여 샘플에 플라즈마 환경을 생성하여 거기에서 수집된 특성광을 통해 샘플의 원소 구조를 묘사합니다. LIBS는 건강한 조직과 암 조직을 구별하여 암을 진단하고, 조직에서 해당 약물의 요소과 특성을 찾아 체내 약물 분포를 연구하여 치료 반응을 모니터링합니다.비침습적 특성과 신속한 분석 기능으로 인해 LIBS는 미래에 의료 진단 및 치료의 귀중한 도구가 되었습니다. 

LIBS의 주요 프로세스:  

1. 레이저 펄스로 시료에 조명: 고출력과 짧은 펄스 레이저 빔이 시료 표면에 초점을 맞춥니다. 

1. 플라즈마 분해: 레이저 펄스의 강렬한 에너지로 인해 재료가 빠르게 가열되고 이온화되어 플라즈마 기둥이라고 하는 이온화된 가스의 작고 뜨거우며 매우 국부적인 영역이 생성됩니다.  

1. 여기: 플라즈마 내부의 상승된 온도는 시료 물질의 원자에 있는 전자를 여기됩니다. 이러한 여기되 전자는 바닥 상태로 돌아갈 때 특정 파장 빛을 방출합니다.  

1. 방출 분석: 시료에 존재하는 원소의 특성인 이 방출된 빛은 분광기에 의해 수집되어 분석됩니다. 

그림 1. LIBS의 작동 원리 다이어그램. LB: 레이저 빔. S: 시료. H: 에너지 증착 영역. V: 휘발성 물질. P: 플라즈마. E: 원소의 특정 방출. CR: 구멍 PT: 입자.

그림 1은 LIBS의 원리를 작동 원리를 나타냅니다. 펄스 레이저 빔은 먼저 분석  재료의 표면에 초점을 맞춥니다 (1). 이런  강렬한 복사 에너지는 물질에 국부적으로 결합되어 (2), 증발시킵니다 (3). 휘발성 물질과 주변 가스 분위기가 결합되어 플라즈마를 형성합니다 (4). 이 플라즈마는 시료 내의 요소를 여기시켜 특징적인 방사선을 방출하도록 합니다 (5-7). 이 방출된 방사선을 분광기로 분석합니다. 특히, 고체 시료의 경우 상호 작용 지점에 구멍이 형성됩니다 (8). 

생물 의학에서 LIBS의 응용 

LIBS는 고유한 기능 덕분에 생물 의학 분야에서 다양한 응용을 제공합니다. 

• 비침습적 조직 및 생체 유체 분석: 기존 생검 절차와 달리 LIBS는 어떠한 피해도 일으키지 않고 조직 및 생체 유체를 분석할 수 있습니다. 이는 민감한 영역이나 반복적인 측정이 필요한 경우에 특히 유용합니다.  

• 신속한 진단: LIBS는 빠른 분석 시간을 제공하여 더 빠른 진단을 가능하게 하고 적시에 치료 결정을 내릴 수 있도록 합니다. 이는 조기  개입해야 하는 상황에서 아주 중요합니다. 

• 상세한 원소 검출: LIBS는 생체 분자의 필수 구성 요소인 탄소, 수소, 질소 및 산소와 같은 가벼운 원소를 포함한 광범위한 원소를 검출하는 데 탁월합니다. 이 포괄적인 분석은 생물학적 시료의 원소 구성에 대한 귀중한 통찰력을 제공합니다. 

이러한 기능이 특정 생물 의학 응용 분야로 변환되는 방법은 다음과 같습니다. 

• 암 진단: LIBS는 원소 구성의 변화를 기반으로 암 조직과 건강한 조직을 구별할 수 있는 가능성을 가지고 있습니다. 이는 잠재적으로 조기 암 발견에 도움이 될 수 있으며 진단 정확도를 향상시킬 수 있습니다.  

• 치료 반응 모니터링: 치료 후 조직의 원소 구성 변화를 추적함으로써 LIBS는 암 치료의 효과를 모니터링하는 데 도움이 될 수 있으며 필요한 경우 조정할 수 있습니다.  

• 약물 전달 연구: LIBS는 조직 내 약물 요소의 분포 및 국소화를 추적하는 데 사용할 수 있습니다. 이 정보는 약물 전달 전략을 최적화하고 표적 치료를 보장하는 데 중요합니다.  

• 치과 응용 분야: 치아의 성분 구성을 분석하는 것은 치과 분야에서 중요합니다. LIBS는 칼슘과 같은 필수 미네랄의 결핍을 식별하고 치과 치료의 효과를 평가할 수 있습니다.  

• 생리적 과정의 이해: LIBS는 혈액이나 타액과 같은 다양한 생체 유체의 원소 조성을 분석함으로써 생리적 과정과 잠재적인 질병에 대한 더 깊은 고찰할 수 있습니다. 

결과 

그림 2. 표면도(왼쪽)와 단면도(오른쪽)가 있는 담석 시료.

구체적인 응용에서 LIBS는 인도의 다른 환자로부터 얻은 담석을 분석하는 데 사용됩니다. 그림 2는 담석 시료의 표면과 단면을 보여줍니다. LIBS는 시료에 존재하는 모든 미네랄을 식별하도록 사용했습니다. 

그림 3. 320nm에서 332nm 범위의 파장에서 담석 시료의 LIBS 스펙트럼은 구리와 나트륨 원소의 존재를 보여줍니다.

그림 4. 570nm에서 780nm 범위의 파장에서 담석 시료의 LIBS 스펙트럼은 나트륨, 칼슘, 수소, 질소, 칼륨 및 산소 원소의 존재를 보여줍니다.

LIBS 기술은 다양한 파장 범위에서 담석의 빛 신호(스펙트럼)를 캡처했습니다. 그림 4는 나트륨(589.5nm)과 칼륨(766.4nm 및 769.8nm)의 원자선을 보여줍니다. 특히 LIBS는 수소(656.2nm), 질소(744.2nm), 산소(777.1nm)와 같은 가벼운 원소도 감출하여 기존 방법에 비해 장점이 두드러졌습니다.

측정 시스템 

그림 5. HR2000 + 분광기 

그림 6. Ocean Insight 532nm 레이저 광원 

Ocean Insight 532nm 레이저 광원과 Ocean HR2000+ 분광기는 생물의학 분야에서 libs의 응용을 위한 강력한 조합을 형성합니다. HR2000+ 분광기는 생물학적 시료에 존재하는 다양한 원소의 특징 빛 신호(방출선)를 정확하게 캡처하는 데 중요한 고분해능 스펙트럼 범위를 있습니다. 이 상세한 분석을 통해 생체 분자에서 발견되는 것과 같은 가벼운 원소를 포함하여 더 넓은 범위의 원소를 식별할 수 있습니다. 또한 Ocean Insight 532nm 레이저 광원은 집중되고 안정적인 레이저 펄스를 제공하여 LIBS 분석에 필요한 시료 내에 플라즈마 환경을 생성하는 데 이상적입니다. 이 레이저 광원은  일관된 결과를 보장하고 생물학적 시료에 대한 잠재적 손상을 최소화합니다. Ocean HR2000+ 분광계와 Ocean Insight 532nm 레이저 광원은 미래에 생물의학 연구 및 임상 응용 분야에서 조직 및 생체 유체를 침습적이고 신속한 분석을 위한 강력하고 신뢰할 수 있는 LIBS 시스템을 제공합니다. 

결론 

LIBS(Laser-Induced Breakdown Spectroscopy)는 생물 의학 응용 분야에서 상당한 잠재력을 가진 강력한 분석 기술입니다. 집중된 레이저 펄스를 사용하여 시료에서 플라즈마 환경을 생성하여 특정 방출된 빛 신호를 통해 원소를  감출할 수 있습니다. LIBS는 비침습적 특성과 신속한 분석 기능으로 인해 암 진단, 치료 모니터링 및 약물 분포 연구에 도움이 있습니다. 예를 들어, 인도 환자의 담석을 분석한 연구에서 LIBS는 수소 및 산소와 같은 가벼운 광물을 포함하여 기존 방법으로는 검출하기 어려운 다양한 미네랄과 원소를 식별했습니다. Ocean LIBS 2000+ 시스템은 고해상도 스펙트럼 분석과 섬세한 조직 및 생체 유체를 손상시키지 않고 분석할 수 있는 기능을 제공하여 의료 진단 및 치료를 발전시키는 데 큰 가능성을 제시하는 이 기술의 장점을 잘 보여줍니다.