JP6037241B2 - 浮遊微生物測定装置及びその測定方法 - Google Patents

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Description

本発明は、浮遊微生物測定装置及びその測定方法に関する。
最近、鳥インフルエンザ、新種インフルエンザなどがイッシュー(問題)となりながら空気感染問題が台頭しており、これに伴い空中の浮遊微生物測定(airborne microbial measurement)がより重要に扱われ、バイオセンサ市場もこれに合せて大幅成長している。
従来の空中の浮遊微生物を測定する方法には、試料気体の中に浮遊している生物粒子を増殖に適した固体または液体の表面に捕集し、一定期間適切な暖湿度環境下で培養した後、表面に出現したコロニー数から捕集微生物数を求める培養法と、染色後蛍光顕微鏡を利用する染色法などがある。
近来では、ATP(アデノシン3リン酸;adenosine triphosphate)とルシフェリン(luciferin)/ルシフェラーゼ(luciferase)とが反応して光を出す原理を利用するATP生物発光法により、ATP消去処理、ATP抽出、発光量測定までかかる一連の過程を30分程度に縮小したため、迅速な作業が可能になった。
図1は、従来の浮遊微生物測定装置の構成を示す。
図1に示すように、従来の浮遊微生物測定装置1には、空気中に存在する浮遊微生物を捕集するための浮遊微生物捕集装置2と、前記浮遊微生物捕集装置2で捕集された微生物の細胞壁を破壊してDNAを抽出する細胞壁破壊装置3と、抽出されたDNAを分離するための電気泳動装置4と、分離されたDNAを染色するための染色装置5及び染色されたDNAから発光する光の強度を測定するための発光測定装置とが備えられる。
前記浮遊微生物捕集装置2または細胞壁破壊装置3には、放電電極を利用して浮遊微生物に電圧を印加するように構成されることができる。
そして、前記電気泳動装置4には、アガロースゲル(Agarose Gel)のコートされたメンブレン(基板)が備えられ、所定の極性を有したDNAは、ゲル層を通過して反対極性を有したメンブレンに付着されることができる。
このように、従来の浮遊微生物測定装置1は、複数の装置が連続的に作用するように複雑に構成されているから、測定方法が面倒で、かつ測定時間が遅延されうるという問題点があった。
そして、アガロースゲルのコートされたメンブレン(基板)は、一度使用すると交換しなければならないため、費用が多くかかり作業が面倒だという短所があった。
本発明は、かかる問題点を解決するために提案されたものであって、その目的は、気相中に存在する浮遊微生物を速やかに測定できる浮遊微生物測定装置及びその測定方法を提供することにある。
本発明の実施形態に係る浮遊微生物測定装置は、放電電極及び前記放電電極に高電圧を印加する電圧供給部を備える放電装置と、前記放電装置の一方に提供され、前記放電電極に印加された高電圧によって、空中の浮遊微生物が捕集される基板と、前記基板に捕集された微生物または微生物のDNAに向かって染色試薬を供給する試薬注入装置と、前記染色試薬が供給されたDNAから発生する光の量を感知する発光測定装置とを備え、前記放電装置は、前記浮遊微生物を捕集し、捕集した浮遊微生物の外壁を破壊するために電圧を印加するように前記電圧供給部を制御する制御部を備える。
また、前記制御部は、空中の浮遊微生物を前記基板に捕集するために、第1電圧を印加するように前記電圧供給部を制御し、前記基板に微生物を捕集すると、捕集した微生物の外壁を破壊するために、第2電圧を印加するように前記電圧供給部を制御することを特徴とする。
前記第2電圧は、前記第1電圧より大きいことを特徴とする。
前記制御部は、前記微生物の種類によって、微生物の外壁を破壊するために印加する第2電圧の大きさが変化するように、前記電圧供給部を制御することを特徴とする。
また、前記制御部は、前記第2電圧の大きさが順次に増加するように、前記電圧供給部を制御することを特徴とする。
また、前記制御部は、前記浮遊微生物には、ウイルス、バクテリア及びかびが含まれ、前記第2電圧の大きさを増加して、前記ウイルスの蛋白質シェル(protein shell)、バクテリアの細胞壁(cell wall)及びかびの細胞壁を順次に破壊できるように、前記電圧供給部を制御することを特徴とする。
また、前記基板には、ポリエチレン(Polyethylene)及びポリプロピレン(Polypropylene)の混合したプラスチック素材が含まれる。
また、前記発光測定装置には、青色LED及びCCDカメラが備えられる。
他の側面に係る浮遊微生物測定方法は、放電装置に電圧を印加して、浮遊微生物を基板に捕集するステップと、前記放電装置に電圧を印加して、前記基板に捕集された微生物の外壁を破壊しDNAを抽出するステップと、前記抽出されたDNAに染色試薬を注入して、発光または蛍光を発生させるステップと、発光測定装置を利用して、前記発光または発生した蛍光の量を感知するステップとを含む。
また、前記浮遊微生物を基板に捕集するステップは、前記放電装置に第1電圧を印加するステップを含み、前記基板に捕集された微生物の外壁を破壊しDNAを抽出するステップは、前記放電装置に第2電圧を印加するステップを含む。
また、前記第2電圧は、前記第1電圧より大きいことを特徴とする。
また、前記第2電圧は、微生物の種類に応じて異なる大きさの電圧を形成することを特徴とする。
また、前記基板に捕集された微生物の外壁を破壊しDNAを抽出するステップは、前記第2電圧を順次に増加して、多数の微生物の中で弱い外壁を有する微生物から強い外壁を有する微生物の順に前記外壁を破壊するステップを含む。
本発明の実施形態に係る浮遊微生物測定装置及びその測定方法によれば、微生物捕集装置と細胞壁破壊装置が別個に必要ではなく、一つの放電装置を利用して微生物の捕集と、微生物の細胞壁または蛋白質シェルの破壊が順次になされうるので、測定装置がコンパクトとなり、その測定方法が簡単であるという効果がある。
そして、放電電極に印加される電圧の大きさを順次に増加して、ウイルス、バクテリア及びかびの外壁が順次に破壊されてDNAが抽出されるようにすることによって、微生物の濃度を種類別に測定できるという効果がある。
また、微生物が捕集されるフィルム部がプラスチック材質からなるので、フィルム部の洗浄が容易で、フィルム部を比較的長時間使用できるという長所がある。
また、低価格の発光測定装置が使用されうるので、測定装置の製造費用が低減できるという効果がある。
従来の浮遊微生物測定装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る浮遊微生物測定装置の構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る放電装置の構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る浮遊微生物測定装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る浮遊微生物の測定過程を示す図である。 本発明の実施形態に係る浮遊微生物の測定過程を示す図である。 本発明の実施形態に係る浮遊微生物の測定過程を示す図である。 本発明の実施形態に係る浮遊微生物の測定方法を示すフローチャートである。
以下、図面を参照して、本発明の具体的な実施形態を説明する。ただし、本発明の思想は、提示される実施形態に制限されず、本発明の思想を理解する当業者は、同じ思想の範囲内で他の実施形態を容易に提案できるはずである。
図2は、本発明の実施形態に係る浮遊微生物測定装置の構成を示す図で、図3は、本発明の実施形態に係る放電装置の構成を示す図である。
図2及び図3に示すように、本発明の実施形態に係る浮遊微生物測定装置10には、空中の浮遊微生物が捕集される「基板」としてのフィルム部100、及び高電圧を印加して前記浮遊微生物をフィルム部100に捕集する放電装置200が備えられる。
前記フィルム部100は、プラスチック素材から構成される。一例として、前記フィルム部100は、ポリエチレン(Polyethylene)及びポリプロピレン(Polypropylene)を混合したプラスチック素材から構成される。
前記放電装置200には、プラズマ放電を利用したACコロナ放電装置が備えられる。
詳細には、前記放電装置200には、高電圧を印加する電圧供給部210と、前記電圧供給部210から印加された高電圧によって強い電界を形成する針状の放電電極220と、前記放電電極220から離隔して配置される接地電極230とが備えられる。前記接地電極230は、平板形状を有し、前記フィルム部100の下側に位置できる。
前記電圧供給部210から高電圧が印加されて前記放電電極220に強い電界が形成されると、前記放電電極220と接地電極230との間の電圧差によってコロナ放電が発生できる。
そして、前記コロナ放電時に発生する陰イオン(−)または陽(+)イオンは、前記浮遊微生物を帯電し、これにより前記浮遊微生物は荷電することができる。荷電した浮遊微生物は、前記フィルム部100の表面に捕集または付着されることができる。
前記放電装置200は、前記フィルム部100に捕集された微生物の外壁、すなわち細胞壁(cell wall)または蛋白質シェル(protein shell)を破壊するように作用できる。すなわち、前記放電装置200は、微生物の細胞壁または蛋白質シェルを破壊する「破壊装置」として機能を行うことができる。
前記放電装置200が破壊装置として作用して前記微生物の外壁が破壊されると、微生物に含まれるDNAを抽出することができる。
前記微生物には、多様な種類の微生物が含まれうる。前記細胞壁は、微生物の中でバクテリアまたはかびの外壁を意味することでき、前記蛋白質シェルは、微生物の中でウイルス(virus)の外壁を意味しうる。
前記放電装置200は、前記微生物の外壁を破壊するために、前記電圧供給部210を介して高電圧を印加するように作動できる。このとき、印加される高電圧は、微生物の捕集のために印加される電圧よりさらに高い電圧として理解することができる。
すなわち、前記微生物の捕集のために前記放電電極220に印加される高電圧を「第1電圧」とし、前記微生物の外壁を破壊するために前記放電電極220に印加される電圧を「第2電圧」とするとき、前記第2電圧は、第1電圧よりさらに大きな電圧を形成できる。
一方、多様な微生物の外壁が破壊されうる電圧の大きさは、互いに異なって形成されることができる。一例として、前記ウイルスの蛋白質シェルは、相対的に小さな電圧でも破壊されてDNAが抽出されうるのに対し、前記バクテリアの細胞壁は、これより大きな電圧を印加した場合に破壊される。そして、前記かびの細胞壁は、前記バクテリアの細胞壁破壊のために印加された電圧より大きな電圧を印加した場合に破壊されうる。
前記微生物の外壁を破壊する工程にて、前記放電電極200に印加される電圧の大きさは変更できる。
詳細には、浮遊微生物の測定過程にて、前記放電電極200に印加される電圧の大きさは、順次に増加するように制御されて、弱い微生物の外壁が先に破壊され、その後相対的に強い微生物の外壁が破壊されうる。
例えば、前記ウイルスの蛋白質シェルを破壊する程度の電圧(第2−1電圧)を先に印加してウイルスのDNAのみを抽出し、後述する試薬注入装置300及び発光測定装置400に通過させて浮遊微生物の中でウイルスの濃度のみを測定できる(第1ステップ)。
その後、バクテリアの細胞壁を破壊する程度の電圧(第2−2電圧)を印加してバクテリアのDNAを抽出し、前記試薬注入装置300及び発光測定装置400に通過させて浮遊微生物の中でバクテリアの濃度を測定できる(第2ステップ)。このとき、測定される微生物の濃度は、先のステップのウイルス濃度とバクテリア濃度の両方を含みうるので、前記バクテリアの濃度は、第2ステップの濃度から第1ステップの濃度を引いた濃度として計算できる。
前記バクテリアの濃度を測定した後、かびの細胞壁を破壊する程度の電圧(第2−3電圧)を印加してDNAを抽出し、前記試薬注入装置300及び発光測定装置400に通過させて浮遊微生物の中でバクテリアの濃度を測定できる(第3ステップ)。このとき、測定される微生物の濃度は、先のステップのウイルス及びバクテリアの濃度と、かびの濃度の両方を含みうるので、前記かびの濃度は、第3ステップの濃度から第2ステップの濃度を引いた濃度として計算できる。
このように、放電電極220に印加される電圧の大きさを順次に増加して、ウイルス、バクテリア及びかびの外壁が順次に破壊されてDNAが抽出されるようにすることによって、微生物の濃度を種類別に分類して測定できるという効果がある。
前記浮遊微生物測定装置10には、前記放電装置200を介してDNAが抽出された微生物に染色試薬(Fluoresecnt Dye)を注入する試薬注入装置300がさらに備えられる。前記試薬注入装置300は、前記放電装置200から一方向に離隔した位置に配置されうる。
前記試薬注入装置300は、前記フィルム部100の外側に配置されて、前記フィルム部100に付着されている微生物に向けて染色試薬を供給するように構成されうる。
このとき、前記フィルム部100は、前方または後方に移動できるように構成することができる。ここで、「前方」とは、前記放電装置200から前記試薬注入装置300に向かう方向であり、「後方」とは、前記試薬注入装置300から前記放電装置200に向かう方向として理解できる。
一例として、前記フィルム部100は、回転可能なローラまたは前方又は後方へ移動可能なベルトに結合されて移動することができる。他の例として、前記フィルム部100は、互いに離隔された2個のローラに巻き取られて無限回転するように構成されることができる(無限軌道方式)。
そして、前記フィルム部100は、図8において説明する各工程が行われる時には固定され、次のステップの工程を行うために移動するように構成されうる。これに対し、前記フィルム部100は、遅い速度で移動し続けながら前記各工程が短い時間に行われるように構成することもできる。
前記放電装置200が作動してフィルム部100の表面に微生物が捕集され、微生物の外壁が破壊されてDNAの抽出された工程が完了すると、前記フィルム部100が移動して微生物またはDNAは、前記試薬注入装置300の一方に位置しうる。
前記微生物またはDNAが前記試薬注入装置300の供給領域に位置すると、前記試薬注入装置300を介して染色試薬が前記微生物またはDNAに向かって噴射または注入されることができる。前記試薬注入装置300には、染色試薬を排出するためのノズルが備えられうる。そして、前記供給領域とは、前記フィルム部100の一部領域であって、前記試薬注入装置300を介して排出する染色試薬の分布領域として理解できる。
前記DNAに染色試薬が反応すると、所定大きさの発光または蛍光が発生できる。
前記浮遊微生物測定装置10には、前記試薬注入装置300を通過しながら発生した発光または蛍光の量を感知するための発光測定装置400がさらに備えられる。前記発光測定装置400は、前記試薬注入装置300から一方向に離隔した位置に配置されうる。
染色試薬の供給が完了すると、前記フィルム部100が移動して発光した微生物のDNAが前記発光測定装置400の一方に位置し、前記発光測定装置400が作動する。
前記DNAから発した光の強度は、前記発光測定装置400によって測定でき、測定された光の強度または発光点の数により微生物の濃度または汚染程度を算出できる。
前記発光測定装置400には、比較的低廉なLED及びCCDカメラが備えられうる。一例として、前記LEDは、青色LEDでありうる。
そして、前記発光測定装置400には、測定された光の強度、微生物の濃度または汚染程度を表示するディスプレイ部がさらに備えられうる。
図4は、本発明の実施形態に係る浮遊微生物測定装置の構成を示すブロック図である。
図4に示すように、本発明の実施形態に係る浮遊微生物測定装置10には、放電装置200、試薬注入装置300及び発光測定装置400が備えられる。
詳細に説明すると、前記放電装置200は、高電圧を印加する電圧供給部210と、前記電圧供給部210から印加された高電圧によって強い電界を発生させる放電電極220と、前記放電電極220から離隔した接地電極230と、前記電圧供給部210から印加される電圧を調節する制御部250とを備える。
前記制御部250は、浮遊微生物の捕集過程と、捕集された微生物の外壁破壊過程において前記電圧供給部210から印加される電圧の大きさを調節できる。
詳細に説明すると、空中の浮遊微生物を前記フィルム部100に捕集するために、第1電圧の大きさを有する電圧が前記電圧供給部210から印加されることができる。
そして、前記フィルム部100に捕集された微生物の外壁を破壊するために、第2電圧の大きさを有する電圧が前記電圧供給部210から印加されうる。ここで、前記第2電圧は、第1電圧より大きくできる。
ただし、微生物の種類によって外壁が破壊されうる電圧の大きさは異なることができる。したがって、前記制御部250は、多様な種類の微生物のうち、少なくとも一つ以上の微生物が破壊されうる程度の大きさを有する電圧が印加されるように制御できる。
上述したように、微生物には、ウイルス、バクテリア及びかびが含まれうる。そして、外壁が破壊されうる電圧の大きさは、ウイルスが最も小さく(第2−1電圧)、バクテリア(第2−2電圧)及びかび(第2−3電圧)の順に大きくなることができる。
一例として、前記電圧供給部210から前記第2−3電圧以上の電圧が印加されると、前記ウイルス、バクテリア及びかびの外壁は、すべて破壊され、各微生物のDNAが抽出されうる。
そして、各微生物の抽出されたDNAは、試薬注入装置300を通過しながら染色試薬が供給され、発光または蛍光が発生し、前記発光測定装置400を通過しながら発光された光の量(強度または発光点の数)が感知されうる。すなわち、全体微生物の濃度または汚染程度が算出されうる。
これに対し、前記電圧供給部210から前記第2−1電圧以上、第2−2電圧以下の電圧が印加されると、前記ウイルスの外壁が破壊されてDNAが抽出されるが、バクテリア及びかびの外壁は、破壊されない場合もある。
また、前記電圧供給部210から前記第2−2電圧以上、第2−3電圧以下の電圧が印加されると、前記ウイルス及びバクテリアの外壁が破壊されてDNAが抽出されるが、かびの外壁は、破壊されない場合もある。
前記制御部250は、前記電圧供給部210から印加される電圧の大きさが順次に増加するよう制御できる。
まず、前記電圧供給部210から第2−1電圧を印加してウイルスの外壁、すなわち蛋白質シェルを破壊してDNAを抽出する。抽出されたDNAは、前記試薬注入装置300及び発光測定装置400を通過し、この過程でウイルスの濃度または汚染程度が算出されうる。
その後、前記フィルム部100が前記放電装置200の一方に再度移動(後方移動)されることができ、前記電圧供給部210から第2−2電圧が印加されうる。印加された電圧によって、捕集された微生物のうち、バクテリアの外壁、すなわち細胞壁が破壊されてDNAが抽出される。抽出されたDNAは、前記試薬注入装置300及び発光測定装置400を通過し、この過程でバクテリアの濃度または汚染程度が算出されうる。
その後、前記フィルム部100が前記放電装置200の一方に再度移動(後方移動)されることができ、前記電圧供給部210から第2−3電圧が印加されうる。印加された電圧によって、捕集された微生物の中でバクテリアの外壁、すなわち細胞壁が破壊されてDNAが抽出される。抽出されたDNAは、前記試薬注入装置300及び発光測定装置400を通過し、この過程でバクテリアの濃度または汚染程度が算出されうる。
図5ないし図7は、本発明の実施形態に係る浮遊微生物の測定過程を示す図で、図8は、本発明の実施形態に係る浮遊微生物の測定方法を示すフローチャートである。
図5ないし図8に示すように、放電装置200が作動して電圧供給部210から第1電圧の高電圧が印加されると、空中の浮遊微生物は、フィルム部100の表面に捕集される(S11)。
そして、前記電圧供給部210から前記第1電圧より大きな第2電圧が印加されると、前記フィルム部100の表面に捕集された微生物の外壁が破壊されうる。前記微生物の外壁が破壊されると、前記微生物の内部に存在するDNAが抽出されうる。
上述したように、前記微生物が外壁には、ウイルスの蛋白質シェル(protein shell)、バクテリアの細胞壁(cell wall)またはかびの細胞壁が含まれうる(S12)。
前記微生物の捕集及び細胞壁破壊がされた後、前記フィルム部100は、前方へ移動して、前記試薬注入装置300の一方に抽出されたDNAが位置する。そして、前記試薬注入装置300から染色試薬が排出されて微生物またはDNAに注入され、前記DNAは、前記染色試薬と反応して所定大きさの発光または蛍光が発生される(S13)。
前記DNAの発光または蛍光が発生された後、前記フィルム部100は、前方へ移動して前記発光測定装置400の一方に発光または蛍光を発生したDNAが位置する。そして、前記発光測定装置400が作動して前記発光または蛍光の発生した光の量を感知でき、コンピュータプログラムなどを利用して感知された光の量に対応する微生物の濃度を計算できる(S14)。
このように、本実施形態に係る浮遊微生物測定装置の構成及びその測定方法が簡単であるから、必要な費用が少ないという効果がある。
一方、上述したように、多様な種類の微生物がフィルム部100に捕集された場合、電圧供給部210から印加される電圧の大きさを順次に増加することによって、微生物の外壁を選択的に破壊してDNAを抽出できる。そして、抽出されたDNAを有する該当微生物の濃度のみを測定できる。
したがって、捕集された多様な浮遊微生物の中で、測定しようとする微生物を分類して選別的にその濃度を感知できるので、使用の便宜性が増大する。
10 浮遊微生物測定装置
100 フィルム部
200 放電装置
210 電圧供給部
220 放電電極
230 接地電極
250 制御部
300 試薬注入装置
400 発光測定装置

Claims (4)

  1. 一つの放電電極及び前記放電電極に高電圧を印加する一つの電圧供給部を備える放電装置と、
    前記放電装置の一方に提供され、前記放電電極に印加された高電圧によって、空中の浮遊微生物が捕集される基板と、
    前記基板に捕集された微生物または微生物のDNAに向かって染色試薬を供給する試薬注入装置と、
    前記染色試薬が供給されたDNAから発生する光の量を感知する発光測定装置とを備え、
    前記放電装置は、
    前記浮遊微生物を捕集するため、及び、捕集した浮遊微生物の外壁を破壊するために前記一つの放電電極に電圧を順次増加させて印加するように前記電圧供給部を制御する制御部を備え、
    前記制御部は、
    空中の浮遊微生物を前記基板に捕集するために、第1電圧を印加するように前記電圧供給部を制御し、
    前記基板に微生物が捕集されると、前記第1電圧より大きい第2−1電圧を印加して、前記微生物のうちウイルスのDNAを抽出し、前記ウイルスに関する第1濃度が測定され、
    後、前記第2−1電圧より大きい第2−2電圧を印加して、前記微生物のうちバクテリアのDNAを抽出し、前記バクテリアに関する第2濃度が測定され、
    後、前記第2−2電圧より大きい第2−3電圧を印加して、前記微生物のうちかびのDNAを抽出し、前記かびに関する第3濃度が測定される、浮遊微生物測定装置。
  2. 前記基板には、ポリエチレン(Polyethylene)及びポリプロピレン(Polypropylene)の混合したプラスチック素材が含まれる、請求項1に記載の浮遊微生物測定装置。
  3. 前記発光測定装置は、青色LED及びCCDカメラを備える、請求項1に記載の浮遊微生物測定装置。
  4. 一つの放電装置に第1電圧を印加して、浮遊微生物を基板に捕集するステップと、
    前記放電装置に第2電圧を印加して、前記基板に捕集された微生物の外壁を破壊しDNAを抽出するステップと、
    前記抽出されたDNAに染色試薬を注入して、発光または蛍光を発生させるステップと、
    発光測定装置を利用して、前記発光または発生した蛍光の量を感知するステップとを含み、
    前記第1電圧より大きい第2−1電圧を印加してウイルスの蛋白質シェルを破壊し、前記蛋白質シェルが破壊されたウイルスに染色試薬を注入して第1発光量を測定し、前記ウイルスは前記第1発光量に対応する濃度値を有し、
    以後、前記第2−1電圧より大きい第2−2電圧を印加してバクテリアの細胞壁を破壊し、前記細胞壁が破壊されたバクテリアに染色試薬を注入して第2発光量を測定し、前記バクテリアは前記第2発光量から前記第1発光量を引いた値に対応する濃度値を有し、
    以後、前記第2−2電圧より大きい第2−3電圧を印加してかびの細胞壁を破壊し、前記細胞壁が破壊されたかびに染色試薬を注入して第3発光量を測定し、前記かびは前記第3発光量から前記第2発光量を引いた値に対応する濃度値を有する、浮遊微生物測定方法。
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