KR100316153B1 - METHOD FOR MEASURING TOXICITY MATERIALS USING ELIMINATED LIGHT EMITTING MICROORGANISM AND BIOSENSOR KIT - Google Patents

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Abstract

본 발명은 독성물질에 의한 고정화 발광미생물의 발광량의 차이를 측정하는 것으로 이루어진 독성물질을 측정방법 및 이를 위한 바이오센서키트에 관한 것으로, 본 발명은 장치는 별도의 발광미생물의 전처리단계를 필요로 하지 않으므로 신속하고 사용상 간편하며 경제적인 독성물질 분석 방법 및 장치를 제공한다. 또한 물리화학적 분석에서도 분석하기가 어려운 다양한 미량 독성물질에 대한 생물학적 독성도를 나타내는 효과적인 장치 및 방법을 제공하고자 한다.The present invention relates to a method for measuring a toxic substance and a biosensor kit for measuring toxic substances by measuring the difference in amount of light emitted by immobilized luminous microorganisms by a toxic substance, And provides a method and apparatus for analyzing toxic substances that are quick, easy to use and economical. The present invention also provides an effective apparatus and method for indicating biological toxicity to various trace toxic substances which are difficult to analyze even in physicochemical analysis.

Description

고정화된 발광미생물을 이용한 독성물질 측정방법 및 이를 위한 바이오센서키트METHOD FOR MEASURING TOXICITY MATERIALS USING ELIMINATED LIGHT EMITTING MICROORGANISM AND BIOSENSOR KIT

본 발명은 생물학적 방법에 의한 물질 측정방법 및 이를 위한 장치, 더욱 자세하게는 발광미생물을 이용한 독성물질 측정을 위한 방법 및 이를 위한 바이오센서 키트에 관한 것이다. 본 발명에 따른 독성물질 측정방법 및 이를 위한 바이오센서 키트는 음용수 테스트, 화장품이나 의약품 및 의학장치의 독성테스트에 사용될 수 있으며, 특히 수계의 독성물질을 감지하여 경보함으로써 최근 심각한 환경오염문제를 예방 및 해결하는 중요한 수단이 될 수 있다.The present invention relates to a method for measuring a substance by a biological method and an apparatus therefor, more particularly, a method for measuring a toxic substance using a light emitting microorganism, and a biosensor kit for the method. The method for measuring toxic substances according to the present invention and the biosensor kit for the same can be used for drinking water test, toxic test of cosmetics, medicines and medical devices. In particular, by detecting and warning toxic substances in water, It can be an important means to solve.

최근 여러 가지 환경문제의 하나인 수질오염문제를 개선하기 위해서 수질환경에 관련된 기술들은 많은 발전을 거듭하고 있지만 아직도 상수원수, 하천수, 호수를 비롯하여 폐수, 하수 등 수계의 오염도는 심각하며 폐수 유출 등 돌발적인 환경사고에 대한 대비 및 수질감시의 필요성이 날로 증가하고 있으며 이와 같은 피해을 막을 수 있는 수질독성 측정장치의 개발의 필요성은 크다.Recently, the technologies related to the water quality environment have been developed to improve the water pollution problem which is one of various environmental problems. However, the pollution degree of the water such as the water source, river water, lake, wastewater and sewage is still serious, The necessity of monitoring and preparation for environmental accidents is increasing day by day. Therefore, there is a great need to develop a water quality toxicity measuring device to prevent such damage.

폐수 유출 및 기타 독성물질의 수계 유입을 조기에 검출하여 경보하는 장치는 많은 연구자에 의해 개발되어 왔으며, 이중 특히 생물경보장치는 하천수, 하수처리장,폐수처리장 등에 설치된다. 하천수의 경우 폐수배출시설로부터의 오염물질 유입과 돌발사고에 대한 피해의 방지 및 하천수의 감시를 목적으로 설치되며, 하수처리장에는 오염물질이 많이 존재하며 그 배수권역에 산업시설이 있는 경우는 오염도가 더욱 심각하다. 또한 많은 하수처리장에는 폐수 또는 폐기물 매립장에서 발생하는 침출수를 함께 처리하고 있기 때문에 생물경보장치을 설치하여 수질을 감시할 필요성이 더욱 크다고 할 수 있다. 외국에서는 폐수배출시설에도 생물경보장치를 설치하고 있다.Many researchers have developed a device for early detection and warning of wastewater effluent and other influx of toxic substances. In particular, bio-alarm devices are installed in river water, sewage treatment plants, and wastewater treatment plants. In the case of river water, it is installed for the purpose of prevention of damage to inflow of pollutants from wastewater discharge facility and accident prevention, and monitoring of river water. If there are many pollutants in the sewage treatment plant and there is industrial facility in the drainage area, More serious. In addition, since many wastewater treatment plants treat wastewater generated from wastewater or waste landfill together, there is a greater need to monitor the quality of water by installing biological alarm devices. In foreign countries, biological alarm systems are installed in wastewater discharge facilities.

종래에 수계 유입 독성물질을 측정하는 방법으로는 크게 물리화학적 방법과 생물학적 방법이 있으며, 물리화학적 방법은 측정하고자 하는 폐수를 채취하여 실험실로 운반한 후에 유기오염물질, 중금속, 농약성분 등으로 나누어 각 성분에 따라 분석한다. 유기오염물질성분의 분석에는 클로로메탄, 클로로에탄, 1,1-디클로로메탄, 메틸렌, 트리클로로에탄 등의 발암성 물질등이 주로 분석되며 대상유기오염물질의 농도는 가스크로마토그래피(GC)를 사용하여 측정한다. 중금속 물질 성분에는 크롬, 비소 카드뮴, 납 등이 있으며 주로 유도결합플라즈마(Inductively Coupled Plasma)를 이용하여 측정한다. 유기인계 농약성분인 다이아지논, 파라티온, 말라티온의 시료내 농도는 가스크로마토그래피를 사용하여 측정한다. 그러나, 이 방법은 GC-MS(gas chromatography-Mass spectrometry), ICP-MS(Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry)등 고가의 분석 기자개 및 고도로 숙련된 분석요원을 필요로 하며, 각각의 독성물질에 따라 별도의 분석을 수행하여야 하므로 분석시간이 길고 유입독성물질의 성분을 알수 없을 경우에는 분석하기가 어렵다. 또한 채취한 시료를먼거리로 이동시 시료내 반응등으로 성분 및 농도의 변화가 생길 수 있는 문제점이 있다.Conventionally, there are physico-chemical methods and biological methods as methods for measuring the water-borne toxic substances. In the physico-chemical method, the wastewater to be measured is collected and transported to a laboratory, and then divided into organic pollutants, heavy metals, Analyze according to the ingredients. For the analysis of organic pollutants, carcinogenic substances such as chloromethane, chloroethane, 1,1-dichloromethane, methylene, and trichloroethane are mainly analyzed. The concentration of the organic pollutants is determined by gas chromatography (GC) . Chromium, arsenic, cadmium, lead, etc. are mainly used for heavy metal materials and they are measured by inductively coupled plasma (Inductively Coupled Plasma). The concentrations of diazinon, parathion, and malathion, which are organic phosphorus-based pesticides, in the sample are measured using gas chromatography. However, this method requires expensive analytical reagents and highly skilled analytical personnel such as GC-MS (gas chromatography-mass spectrometry) and ICP-MS (inductively coupled plasma-mass spectrometry) It is difficult to analyze if the analysis time is long and the composition of the inflow toxic substance is unknown. In addition, there is a problem that when the sampled sample is moved to a long distance, changes in components and concentration may occur due to reactions in the sample.

종래의 생물학적 방법중 대표적인 것은 Azur Environmental사의 MicrotoxTM(상표명)분석방법이다. 이는 해양에서 분리한 발광미생물의 생물발광현상을 이용하여 독성을 측정하는 장치이다. 도 1을 참고로 하여 MicrotoxTM분석방법을 자세히 설명하면, 이 장치는 동결건조된 발광미생물(Photobacterium phosphoreum)을 사용하여 미생물제제를 제조하기 위한 전냉각정(21), 발광량을 검출하기 위한 광측정기 (22)(phototube)가 내장된 터릿(turret)(23) 및 시료를 단계적으로 희석하고 온도를 조절할 수 있는 배양정(24)으로 구성되어 있다. 이 장치를 이용한 독성측정방법은 아래의 순서에 의한다Representative of the conventional biological method is an analysis method Azur Environmental Inc. Microtox TM (trade name). It is a device for measuring toxicity using the bioluminescence phenomenon of a luminescent microorganism separated from the ocean. Referring to FIG. 1, the Microtox TM analysis method will be described in detail. The apparatus includes a pre-cooling tablet 21 for preparing a microorganism preparation using a lyophilized luminous microorganism (photobacterium phosphoreum), an optical meter A turret 23 having a built-in phototube 22, and a culture chamber 24 capable of gradually diluting the sample and adjusting the temperature. The method for measuring toxicity using this device is as follows

a) 전냉각정(1)내의 큐벳에 1ml의 마이크로톡스 재생액(Microtox reconstitution solution)을 넣는다.a) Add 1 ml of Microtox reconstitution solution to the cuvette in the pre-cooling tablet (1).

b) 배양정(24)에서 A열의 A1에서 A4까지 4개의 큐벳에 마이크로톡스 희석액 (Microtox diluent)을 각각 1ml씩 넣는다.b) In culture (24), add 1 ml of Microtox Diluent to each of the four cuvettes from column A1 to A4.

c) B열의 B1에서 B5까지 각 큐벳에 500μl의 마이크로톡스 희석액을 넣는다.c) B puts the micro-Tox dilution of 500 μ l of each cuvette in the row B1 to B5.

d) 시료의 염분농도 조절을 위해서 A5의 큐벳에 마이크로톡스 삼투압 조절액 (Microtox osmotic adjustment solution) 250μl를 넣은 후, 여기에 시료 2.5ml을 첨가하여 혼합함으로써 시료가 약 9%희석된다.d) and then to a salt concentration adjustment of the sample into a 250 μ l Tox micro osmotic pressure fluid (Microtox osmotic adjustment solution) in a cuvette of A5, by mixing 2.5ml of the sample was added to this diluted sample is about 9%.

e) A5내 시료의 단계적인 희석을 위해서 시료 1ml를 A5에서 A4로 옮긴후, 잘 혼합한 다음, A3에서 A4의 시료 1ml를 옮겨서 혼합한다.e) For the gradual dilution of A5 samples, transfer 1 ml of sample from A5 to A4, mix well, then transfer 1 ml of A4 sample from A3 and mix.

f) 온도조절을 위해서 5분간 방치한다.f) Leave for 5 minutes for temperature control.

g) 냉동보관되었던 마이크로톡스시약(Microtox reagent)을 전냉각정(21)내의 마이크로톡스 재생액으로 신속하게 재조절하여 전냉각정(21)에 다시 넣어 혼합한다.g) The microtox reagent that has been stored frozen is quickly re-adjusted to the microtox regeneration liquid in the pre-cooling oven 21 and put back into the pre-cooling oven 21 for mixing.

h) 10μl의 마이크로톡스 시약을 혼합액과 B열의 각 큐벳에 넣고 혼합한 다음 5~15분간 기다린다.h) 10 into a mixture of micro-Tox μ l of the reagent mixture to each cuvette and in column B, and then wait 5 to 15 minutes.

i) B열의 각 큐벳을 터릿정(turret well)(3)에 넣고 터릿을 닫고 세균 혼합액으로부터 방출되는 빛의 광도를 490nm의 파장에서 측정하여 디지털 디스플레이와 챠트레코더로 기록하고 시작 시각(zero time)에서의 광도를 얻는다.i) Each cuvette in row B is placed in a turret well (3), the turret is closed, the luminous intensity of the light emitted from the bacterial mixture is measured at a wavelength of 490 nm, recorded with a digital display and a chart recorder, Lt; / RTI >

j) 신속하게 A열의 각 큐벳에서 500μl의 희석 시료액을 B열의 대응하는 큐벳에 넣은 후 혼합하고 5분후의 광도를 기록한다.j) after a quick column A into the diluted sample solution in the cuvette in the cuvette 500 μ l in each corresponding column B mix and record the light intensity after five minutes.

k) 분석 시작후 15분 경과했을 때 또다시 광도를 측정 기록한다.k) Measure and record the intensity again 15 minutes after the start of the analysis.

l) 시료가 지나치게 착색되어 있을 경우에는 색보정 실험을 병행하며, 현탁되어 있는 시료는 원심분리한 후 상등액을 사용한다.l) If the sample is excessively colored, perform color calibration experiments. Suspension samples should be centrifuged and supernatant should be used.

이상의 실험과정을 통해 0, 5, 15분에서의 광도(light level)을 구하여 5분 EC50(effective concentration)15분 EC50을 산출한다. 여기서 발광량의 50%가 감소하는 독성물질의 농도를 통상적으로 EC50라고 한다.Through the above experiment process 0, 5, and obtaining the brightness (light level) of between 15 minutes and 5 minutes is calculated EC 50 (effective concentration) 15 EC 50 bun. Here, the concentration of the toxic substance in which 50% of the light emission amount is reduced is usually referred to as EC 50 .

이러한 마이크로톡스사의 방법은 채취한 시료를 먼거리로 이동시 시료내의 반응으로 인해 성분 및 농도의 변화가 생길 수 있으며, 냉동건조된 발광미생물을 사용하기 때문에, 냉동건조된 발광미생물을 별도 구입하여야 하고 냉동건조된 발광미생물을 다시 활성화시키기 위해서 마이크로톡스 삼투압 조절액, 마이크로톡스 재생액 등 별도의 시약을 첨가시켜야 하고, 별도의 온도 조절장치가 필요하다. 또한 실험방법이 일련의 전처리 작업을 하여야 하므로 번거롭고 복잡하다는 문제점이 있다.Since the microtox method of the present invention uses a lyophilized luminescent microorganism, the lyophilized luminescent microorganism must be purchased separately, and freeze-dried A separate reagent such as a microtox osmotic pressure regulating solution or a microtox regenerating solution should be added in order to reactivate the light emitting microorganisms and a separate temperature regulating device is required. Also, since the experimental method requires a series of preprocessing operations, it is troublesome and complicated.

상기의 문제점을 해결하고자, 본 발명의 방법 및 장치는 어떠한 위치에서도 즉시 수계 독성물질을 측정 분석할 수 있는 고정화된 발광미생물을 이용한 바이오센서키트 및 이를 이용한 수계의 독성측정방법을 제공하여, 신속하고 사용상 간편하며 경제적인 독성물질 분석방법 및 장치을 제공하는 것이다. 또한 고정화발광미생물을 이용함으로써 장기간 활성을 유지할 수 있고 반응속도가 크다는 장점이 있다. 또한 이러한 발광미생물을 이용한 생물학적 분석방법은 물리화학적 분석에서도 분석하기가 어려운 다양한 미량 독성물질에 대한 생물학적 독성도를 나타내는 효과적인 방법 및 장치를 제공하고자 한다.In order to solve the above problems, the method and apparatus of the present invention provides a biosensor kit using immobilized light emitting microorganisms capable of measuring and analyzing a water toxic substance immediately at any position, and a method for measuring toxicity of a water system using the same, And a method and an apparatus for analyzing toxic substances which are simple and economical to use. The use of immobilized light emitting microorganisms also has the advantage of being able to maintain long-term activity and have a high reaction rate. In addition, the biological analysis method using such a light emitting microorganism is intended to provide an effective method and apparatus for indicating biological toxicity to various trace toxic substances which are difficult to analyze even in physicochemical analysis.

도 1은 동결건조된 발광미생물을 이용하여 독성물질을 측정하는 종래의 Azur Environmental 사의 MicrotoxTM(상표명)의 개략도이다.1 is a schematic diagram of a conventional Azur Environmental Inc. Microtox TM (TM) for measuring the toxic substance using a light-emitting microorganisms lyophilized.

도 2는 본 발명에 의한 통상적인 수질독성측정 바이오센서 키트의 일실시예를 도시한다.FIG. 2 shows an embodiment of a conventional biosensor kit for measuring water quality toxicity according to the present invention.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>Description of the Related Art

1. 캡(cap) 2. 망1. cap 2. network

3. 고정화된 발광미생물 4. 유리3. Immobilized light emitting microorganisms 4. Glass

5. 밴드필터(band filter) 6. 광측정기5. Band filter 6. Optical meter

7. 마이크로프로세서 8. 키보드 및 기능키7. Microprocessor 8. Keyboard and function keys

9. 액정화면(LED: light-emitting diode사용)9. LCD screen (LED: using light-emitting diode)

10. 프린터 포트 11. 통신포트(RS232C)10. Printer port 11. Communication port (RS232C)

12. 부저 및 알람기능 13. 전원장치12. Buzzer and alarm function 13. Power supply

14. 케이스(case) 21. 전냉각정(preceding well)14. Case 21. Previous well,

22. 광측정기(photomultiplier tubes)22. Photomultiplier tubes

23. 터릿(turret) 24. 배양정(incubation well)23. turret 24. incubation well

25. 온도조절기(temperature set) 26. 100% 조절기(100% adjust)25. Temperature set 26. 100% adjuster (100% adjust)

27. 0% 조절기(0% adjust)27. 0% adjuster (0% adjust)

28. 액정 표시판(light emitted diode)28. Light-emitting diode

29. 조작판29. Operation panel

본 발명은 발광미생물을 이용한 수계의 독성물질 측정방법 및 이를 위한 바이오센서키트에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 독성물질에 의한 고정화 발광미생물의 광량의 변화를 측정하여 수계의 독성물질을 측정하는 방법과 이를 위한 바이오센서 키트 에 관한 것이다.The present invention relates to a method for measuring a toxic substance in a water system using a luminescent microorganism and a biosensor kit for the same, and more particularly, to a method for measuring a toxic substance in a water system by measuring a change in the quantity of light of an immobilized luminescent microorganism caused by a toxic substance, To a biosensor kit.

구체적으로 설명하면, 본 발명은 독성물질로 인한 고정화 발광미생물의 광량의 변화를 측정하는 것을 특징으로 하는 독성물질의 측정방법에 관한 것이다.Specifically, the present invention relates to a method for measuring a toxic substance, characterized by measuring a change in the amount of light of an immobilized light emitting microorganism due to a toxic substance.

상기 고정화미생물은 포토박테리움 포스포럼(Photobacterium phosphoreum), 비브리오 피쉐리(Vibrio fischeri) 또는 이들의 발광효소를 코딩하는 유전자(lux gene)를 숙주미생물에 도입한 재조합균주 중에서 선택할 수 있으며, 고정화 발광미생물은 알기네이트, 카파-카라지난(κ-carrageenan), 폴리아크릴아미드, 셀룰로스, 아가로스중에서 선택되는 다공성 기질에 고정화시킬 수 있다. 알기네이트가 고정화기질로서 바람직하며, 발광미생물은 해양성 미생물로서 배지중의 NaCl의 농도가 높기 때문에 스트로튬이온을 사용하는 스트론튬 알기네이트가 더욱 바람직하다.The immobilized microorganism may be selected from recombinant strains obtained by introducing a gene encoding a photobacterium phosphoreum, Vibrio fischeri or a luminescent enzyme thereof into a host microorganism, can be immobilized on a porous substrate is selected from the last color -carrageenan), polyacrylamide, cellulose, agarose-silver alginate, kappa. Alginate is preferable as the immobilization substrate, and the luminescent microorganism is a marine microorganism, and strontium alginate using the stromium ion is more preferable because the concentration of NaCl in the medium is high.

또한 독성물질의 측정은 광측정기를 사용하여 광량의 변화를 전하량으로 전환하고 연산수단으로 보내고 연산수단은 보내진 전하량을 분석하여 저장한다. 이때 전하량의 변화를 감마법, 비속도법, 생체발광도법으로 분석하여 독성물질의 농도를 알 수 있다.In addition, the measurement of toxic substances uses a photometer to convert the change in light quantity into a charge quantity and send it to the calculation means, and the calculation means analyzes and stores the amount of the sent charge. At this time, the concentration of the toxic substance can be determined by analyzing the change of the charge amount by the magic, the velocity method, and the bioluminescence method.

또한 추가적으로 측정된 독성물질의 농도가 설정값이상인 경우에는 경보장치를 이용하여 경보하는 방법이 포함될 수 있다.In addition, if the measured concentration of the toxic substance is equal to or higher than the set value, a method of alarming using an alarm device may be included.

상기 광량의 변화를 측정하여 분석하는 것은 광측정기를 이용하여 광량의 변화를 전하량으로 전환하고 연산수단으로 분석하여 저장할 수 있다.The change of the amount of light is measured and analyzed. The change of the amount of light can be converted into the amount of charge by using an optical measuring device, and analyzed and stored by calculation means.

또한 본 발명은 고정화 발광미생물을 이용한 독성물질 측정용 바이오센서키트에 관한 것으로, 본 발명에 따른 바이오센서키트의 구성도는 도 2와 같다. 이 바이오센서키트는 두 부분으로 이루어질 수 있다. 첫 번째 부분은 고정화 발광미생물을 사용하여 독성물질을 측정하는 부분(도 2중 1-6번)이며, 두 번째 부분은 수질독성에 따른 변화를 수질독성의 농도로 환산하여 출력하는 부분(도 2의 7-12번)이다.In addition, the present invention relates to a biosensor kit for measuring toxic substances using immobilized light emitting microorganisms, and a configuration diagram of the biosensor kit according to the present invention is shown in FIG. This biosensor kit can be composed of two parts. The first part is a part for measuring toxic substances using immobilized light emitting microorganisms (1-6 in FIG. 2), and the second part is a part for outputting the concentration of water toxicity 7-12).

본 발명에 따른 독성물질 측정을 위한 바이오센서키트의 구성을 살펴보면, 망에 의해 지지되는 고정화 발광미생물, 그 하부에 위치하여 수계에 직접 접촉하며 망과 고정화미생물을 지지하고 암실조건을 제공하기 위한 수단, 그 상부에 순차로 밴드필터 및 수질독성에 따른 광량변화를 측정하는 광측정기로 이루어진 측정부와, 측정부에서의 측정치를 수질독성농도로 환산하는 연산수단 및 그 연산수단에 연결된 입출력 수단로 이루어지는, 고정화 발광미생물을 이용한 독성물질 측정용 바이오센서키트이다.The biosensor kit for measuring a toxic substance according to the present invention comprises a fixed light emitting microorganism supported by a net, a micro-organism supported by the network, a support for supporting the net and immobilized microorganisms, A measurement unit consisting of a band filter and an optical measuring unit for measuring a change in light quantity according to the water quality toxicity, an operation unit for converting the measurement value in the measurement unit into a water quality toxic concentration, and an input / output unit connected to the calculation unit , And a biosensor kit for measuring toxic substances using immobilized light emitting microorganisms.

본 발명에서 상기 고정화미생물을 지지하고 암실조건을 제공하기 위한 수단이 탈착이 가능한 캡구조가 바람직하다. 상기의 광측정기는 광증폭튜브(PMT, Photomultiplier tubes) 또는 포토다이오드(photodiode)에서 선택할 수 있다.In the present invention, a cap structure capable of supporting the immobilizing microorganism and desorbing the means for providing a darkroom condition is preferable. The optical measuring instrument may be selected from photomultiplier tubes (PMT) or photodiode.

본 발명에서 출력장치는 모니터, 프린터 포트, 통신포트 및 경보알람기능장치 중에서 선택된 하나이상의 장치일 수 있다. 또한 바이오센서키트가 휴대용으로 사용할 수도 있다.In the present invention, the output device may be at least one device selected from a monitor, a printer port, a communication port, and an alarm alarm function device. The biosensor kit can also be used as a portable device.

본 발명에 따른 고정화발광미생물을 이용한 독성물질 측정용 바이오센서키트의 측정부를 수계에 접촉시킴으로써, 수계 독성물질의 측정하는 방법을 제공하는 것이다.The present invention provides a method for measuring a toxic substance in water by bringing a measuring part of a biosensor kit for measuring toxic substances into contact with a water system using the immobilized light emitting microorganism according to the present invention.

측정값은 EC50, 비속도(specific rate)법, 생체발광량도(bioluminescence intensity)법 등으로 분석하며 연산수단에서 저장기능과 연산기능을 수행하여 디스플레이한다. 이러한 값들은 액정화면, 프린터포트 또는 통신포트 등의 출력수단을 통해 출력하게 한다.The measured values are analyzed by EC 50 , specific rate method, bioluminescence intensity method and the like. These values are output through output means such as a liquid crystal screen, a printer port, or a communication port.

여기서 발광량 변화의 차이는 비속도법, 생체발광량도법, 감마법 등을 통해 게산되고 여기에서 계산된 값은 직선에 가까운 값을 가진다. 이때 계산하는 방법은 다음과 같다.Here, the difference in the amount of change in the amount of emitted light is calculated through the specific velocity method, the bioluminescence amount method, the magic magic, etc., and the value calculated here has a value close to a straight line. The calculation method is as follows.

a)비속도(specific rate)를 이용한 방법a) Method using specific rate

일정기간동안 발생하는 생체발광량을 측정하는 방법으로,As a method for measuring the amount of bioluminescence occurring during a certain period of time,

μ= (lnL 2- lnL 1(t2-t1) μ = (ln L 2 - ln L 1 (t 2 -t 1 )

μ: 비속도 μ : Specific speed

t1: 처음측정시간t 1 : Initial measurement time

t2: 두 번째 측정시간t 2 : second measuring time

L1: 처음 측정되는 생체발광량도L 1 : First measured bioluminescence amount

L2: 두 번째 측정되는 생체발광량도L 2 : the second measured bioluminescence amount

b)생체발광도법(bioluminescence intensity)b) bioluminescence intensity &lt; RTI ID = 0.0 &gt;

Io/I = I+Ks[Q]I o / I = I + Ks [Q]

Io:독성물질이 없을때의 생체발광도I o : Bioluminescence in the absence of toxic substances

I: 독성물질이 없을때의 생체발광도I: Bioluminescence in the absence of toxic substances

Ks: 상수(constant)Ks: constant

[Q]: 독성물질의 농도[Q]: concentration of toxic substance

c)감마값(γvalue)c) Gamma value (gamma value)

잔류하는 발광량에 대한 감소한 빛의 양의 비The ratio of the amount of reduced light to the amount of remaining light

γ(t,T): T℃에서의 t시간동안의 감마효과γ (t, T): Gamma effect for t time at T ° C

R(t): t시간동안 독성물질이 유입되지 않은 시료(블랭크)의 생체발광량도의 비, t시간 후의 독성물질이 유입되지 않은 시료의 생체발광량을 처음 측정할 때의 값으로 나누어서 구한다.R (t) is the ratio of the bioluminescence amount of the sample (blank) to which the toxic substance has not flowed for the time t, and the bioluminescence amount of the sample to which the toxic substance is not introduced after the time t is divided by the value at the first measurement.

L(0): 처음 측정할 때의 샘플의 생체발광도L (0): Bioluminescence of the sample at the first measurement

L(t): t시간후의 생체발광도이다.L (t) is the bioluminescence after t hours.

각 농도에서의 γ값을 구하여 독성물질의 농도와 γ값을 로그-로그 그래프에 나타내며 직선화하여 표현할 수 있다. 이때의 γ=1이 되는 독성물질의 농도가 EC50값이 된다. 이 때의 값은 각각의 독성물질의 종류에 따라 다르게 나타내어진다. 이와 같은 특성을 이용하여 그 값을 구하고 그 값이 EC50을 넘어서게 되면 경보를 발령하거나 디스플레이 한다.The γ value at each concentration can be obtained and the concentration and γ value of the toxic substance can be expressed in a log-log graph and linearized. At this time, the concentration of the toxic substance which becomes? = 1 becomes the EC 50 value. The value at this time is different depending on the kind of each toxic substance. Using this characteristic, the value is obtained, and when the value exceeds EC 50 , an alarm is issued or displayed.

본 발명에 따른 바이오센서 키트의 제조에는 기존의 자유세포(free cell)를 활성화기키는 방법은 조작이 복잡하고 불편한 문제점이 있으므로 이를 해결하기 위해서 고정화된 발광미생물을 사용한다. 자유세포(free cell)에서 수질 독성물질을 측정하였을 때보다 고정화 미생물을 사용함으로써 더욱 민감하고 신속하게 독성물질을 측정할 수 있다.In the production of the biosensor kit according to the present invention, the method of activating the existing free cells is complicated and uncomfortable to operate. Therefore, immobilized light emitting microorganisms are used to solve the problem. By using immobilized microorganisms, it is possible to measure toxic substances more sensitively and more rapidly than when water quality toxic substances are measured in free cells.

본 발명에 따른 독성물질의 측정에 사용가능한 미생물로는 발광미생물, 구체적으로 빛을 방출하는 해양미생물이다. 이에는 야생균주인 발광미생물 뿐만 아니라 발광효소를 코딩하는 유전자(lux gene)를 대장균 등의 숙주미생물에 도입한 재조합균주도 사용가능하며, 재조합균주의 제조는 통상의 방법으로 가능하다. 사용가능한 발광미생물로는 포토박테리움 포스포럼(Photobacterium phosphoreum), 비브리오 피쉐리(Vibrio fischeri) 등이 있다.Microorganisms which can be used for the measurement of toxic substances according to the present invention are light-emitting microorganisms, specifically, light-emitting marine microorganisms. In this case, not only the light-emitting microorganism as a wild strain but also a recombinant strain in which a gene encoding a luminescent enzyme (lux gene) is introduced into a host microorganism such as Escherichia coli can be used, and a recombinant strain can be produced by a usual method. Photobacterium phosphoreum, Vibrio fischeri, and the like are examples of usable light emitting microorganisms.

발광현상은 통상 산소의 존재하에서 발광효소인 루시퍼라제, 환원형 플래빈 및 장쇄형 알데히드의 상호작용에 의하여 이루어지며 이들은 세포의 전자전달계의 일부를 구성한다. 플래빈 모노 뉴클레오다이드(FMN)가 NADH에 의하여 환원되어, 이것이 발광효소등과 반응하면서 빛을 발산하게 된다. 이러한 발광현상은 전자의 흐름에 따라 좌우되므로 발광도의 변화는 대사활성과 생체의 건강상태의 변화를 나타낸다.The luminescence phenomenon is usually accomplished by the interaction of the luminescent enzymes luciferase, reduced type of fibrin and long chain aldehyde in the presence of oxygen, which constitutes a part of the cell's electron transport system. The fibrin mononucleotide (FMN) is reduced by NADH, which emits light while reacting with a luminescent enzyme or the like. Since the luminescence phenomenon depends on the flow of electrons, the change in luminescence represents a change in metabolic activity and the health state of the living body.

FMNH2+ O2+ RCHO →발광 + FMN + H2O + RCOOHFMNH 2 + O 2 + RCHO → light emission + FMN + H 2 O + RCOOH

발광도는 발광미생물중 일종인 포토박테리움 포스포럼(4)의 발광 스펙트럼은 421~630nm이며, 가시광성영역인 490nm에서 최대치를 나타낸다. 실제로 발광되는 색깔은 밝은 파랑색과 초록색의 중간색깔을 나타낸다. 이 같은 발광현상은 이미 언급한 바와 같이, 호기적 호흡대사와 연결되어 일어나나, 에너지가 빛으로 발산되므로 ATP생산은 일어나지 않는다. 이같은 과정에 어떤 독성물질이 작용하면, 발광량이 감소하게 된다. 이와 같은 원리를 이용하여 독성물질의 독성도를 측정할 수 있다. 대부분의 다른 미생물이 저온에서 생장불가능한 것과는 달리, 포토박테리움 포스포럼(4)은 4℃의 낮은 온도에서도 성장이 가능하다는 장점을 가지고 있어 저온상태에서 장기 저장이 가능하고 또한 비교적 저온의 수질도 모니터링 할 수 있다.The luminescence spectrum of the Photo Bacterium Forum 4, which is one of the luminescent microorganisms, is 421 to 630 nm and shows the maximum value at 490 nm which is the visible light region. The color actually emitted is the intermediate color between light blue and green. As mentioned above, this luminescence phenomenon occurs in connection with aerobic respiration metabolism, but ATP production does not occur because energy is emitted to light. If any toxic substance acts on this process, the quantity of emitted light decreases. This principle can be used to measure the toxicity of toxic substances. Unlike most other microorganisms that can not grow at low temperatures, the PhotoBacterium Force Forum (4) has the advantage of being able to grow at a low temperature of 4 ° C, allowing long-term storage at low temperatures and monitoring of relatively low- can do.

이때에 이동성과 정확성을 더해주기 위해 미생물을 고정화하였다. 고정화 방법은 통상의 고정화방법이 모두 가능하나, 특히 바람직하게는 미생물을 다공성 겔의 내부에 포획하여 세포의 자유로운 이동을 제한하는 방법이다. 고정화에 의해 장기간 안정하고 활동적인 생촉매로 유지할 수 있고 반응속도가 빨라지며 단위부피당 생성율이 높아 생산성이 증가한다.At this time, microorganisms were immobilized to add mobility and accuracy. The immobilization method can be carried out by any conventional immobilization method, but is particularly preferably a method for trapping microorganisms in a porous gel to limit free movement of cells. It can be maintained as a stable and active biocatalyst for a long time by immobilization, and the reaction rate is increased, and the productivity per unit volume is increased to increase the productivity.

발광미생물의 고정화방법은 통상의 공지된 모든 고정화방법이 사용가능하며, 특히 다공성겔에 고정화하는 것이 바람직하다. 이를 위해서는 고정화기질의 선택이 중요하며, 고정화기질은 불용성이고, 독성물질과 화학반응을 일으키거나 분해되어서는 안되며, 분산성이 좋아야 하며, 비용이 저렴하고 투과성이 우수해야 한다. 이와 같은 요건을 만족하는 고정화기질의 예로는 전분, 알기네이트, 카라지난 등이 있으며, 알기네이트가 가장 바람직하다. 알기네이트는 고정화과정이 비교적 간단하고 세포가 고정화물질내에서도 생존하며 식품첨가물로서 사용될 정도로 인체에도 무해하고 겔조직이 안전할 뿐만아니라 상대적으로 가격이 저렴하다. 또한 발광미생물의 발광대사를 해치지 않고 오히려 유지되도록 돕는다.As a method of immobilizing the light emitting microorganism, all commonly known immobilization methods can be used, and it is particularly preferable to immobilize the immobilized microorganism on a porous gel. For this, the choice of immobilized substrate is important, the immobilized substrate is insoluble, must not undergo chemical reactions with the toxic material or decompose, should be highly dispersible, and should be cheap and permeable. Examples of immobilizing substrates that satisfy these requirements include starch, alginate, carrageenan, and the like, with alginate being most preferred. Alginate has a relatively simple immobilization process, and cells can survive in immobilized materials and are harmless to the human body as it is used as a food additive, and the gel structure is safe as well as relatively inexpensive. It also helps to maintain the luminous metabolism of the luminous microorganisms without harming them.

알기네이트를 경화시키기 위해서는 칼슘이온, 칼륨이온, 스트론튬이온 등을 사용하고, 경화가 일어나는 원리는 알기네이트는 D-만누론산과 L-글루로닉산 그룹으로 구성되어 있고 L-글루로닉 산이 칼슘이온, 스트론튬이온 등과 결합하기 때문이다. 발광미생물은 해양성 박테리아로서 배지중의 NaCl의 농도가 높아 칼슘이온이 칼륨이온으로 대치되어 적합하지 않으므로 스트로튬이온을 사용하는 스트론튬 알기네이트의 사용을 고안하게 되었다.Calcium ions, potassium ions, strontium ions and the like are used to cure the alginate. The principle of curing is that the alginate is composed of D-mannuronic acid and L-gluconic acid group, and L-gluconic acid is calcium ion , Strontium ions, and the like. The luminescent microorganism has been devised to use strontium alginate using a strontium ion since the concentration of NaCl in the culture medium as a marine bacteria is high and calcium ions are replaced by potassium ions.

이하에서 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 관하여 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

본 발명의 수질독성측정 바이오센서 키트가 도 2에 도시되어 있으며, 스트론튬 알기네이트에 발광미생물(3)을 고정화하고 망(2)을 사용하여 고정화된 발광미생물(3)을 지지한다. 이를 캡(1)을 사용하여 결합시킨다. 여기서 캡(1)은 고정화 세포를 지지해주면서 다른 불순한 빛이 못 들어오게 하는 암실 역할을 겸한다. 이와 같이 고정화된 발광미생물(3)은 한 번 사용된 후에는 교체하여야 하므로 탈착이 용이한 캡형태가 바람직하다.The water quality toxicity measurement biosensor kit of the present invention is shown in Fig. 2, in which strontium alginate is immobilized with a luminescent microorganism (3), and a net (2) is used to support immobilized luminescent microorganisms (3). This is combined using the cap (1). Here, the cap (1) also serves as a dark room for supporting immobilized cells and preventing other impure light from entering. The immobilized light-emitting microorganism 3 needs to be replaced after it is used once, so that it is preferable to have a cap shape that is easy to be detached.

수계에 유입되는 독성물질을 측정하기 위해 바이오센서의 측정부(1-6) 수계에 접촉시킨다. 물은 암실조건 및 고정화 세포의 지지대 역할을 하는 캡을 통과하여 고정화된 발광미생물과 접촉하게 된다. 이때 수질의 독성물질의종류와 농도에 따라 발광량의 변화를 가져오게 된다. 이러한 발광량의 변화는 광량을 전화량으로 변화시키는 광측정기(6)에 의하여 측정된다. 이때 망(2)은 고정화된 발광미생물(4)을 지지시키면서 물을 자유롭게 통과시키는 역할을 한다. 밴드필터(4)는 광량의 범위를 좁혀주고 정확한 측정을 위해 필요하다. 광측정기(6)에서는 고정화된 발광미생물에서 발생되는 광량을 전하량으로 변환시키면서 그 전하량의 변화를 마이크로프로세서로 보낸다. 이때에 전하량의 변화를 분석하고 연산하여 액정화면을 통해 디스플레이 하고 프린터포트를 사용하거나 개인 컴퓨터와 연결해 쓸 수 있도록 통신 포트를 장착한다. 이외에 위험수위의 독성물질이 유입시 부저 및 알람기능을 가지게 할 수도 있다. 휴대용 바이오센서키트에 사용되는 전원장치는 휴대를 간편하게 하기위하여 4.5~9V사이로 공급하도록 한다. 사용하기 위한 필요한 입력 조작은 키보드 및 기능키를 통하여 입력한다. 수계에 측정하기 전에 독성물질을 측정하기 전에, 고정화된 발광미생물의 발광도를 입력하여 비교테이터(reference data)로 사용하며 그 다음 수계에 침적시켜 발광량의 변화를 측정한다. 측정값은 5분안에 측정가능하며 이러한 값은 EC50, 비속도법, 생체발광량도법 등으로 분석하며 마이크로프로세서에서 저장기능과 연산기능을 수행하여 디스플레이한다. 이러한 값들은 액정화면등으로 출력하고, 이를 프린터포트나 통신포트를 통해 출력하게 된다.To measure the toxic substances entering the water system, contact the measuring part (1-6) of the biosensor. Water is brought into contact with the immobilized light emitting microorganisms through the darkroom condition and the cap serving as a support for immobilized cells. At this time, the amount of emitted light changes depending on the kind and concentration of the toxic substance of the water quality. Such a change in the amount of emitted light is measured by an optical measuring device 6 which changes the light amount to the telephone amount. At this time, the net 2 serves to support the immobilized light emitting microorganisms 4 and to freely pass the water. The band filter 4 is necessary to narrow the range of the amount of light and to make an accurate measurement. The optical measuring device 6 converts the amount of light generated in the immobilized light emitting microorganism into the amount of charge, and sends a change in the amount of charge to the microprocessor. At this time, the change of the charge quantity is analyzed and calculated, and the communication port is mounted so that it can be displayed on the liquid crystal screen and used by using the printer port or connecting with a personal computer. In addition, toxic substances at risk levels may have a buzzer and an alarm when they enter. The power supply unit used in portable biosensor kits should be supplied between 4.5 and 9V for easy portability. Input operations required for use are entered through the keyboard and function keys. Before measurement of the toxic substance in the water system, the luminous intensity of the immobilized light emitting microorganism is inputted and used as reference data, and then immersed in the water system to measure a change in the amount of emitted light. Measured values can be measured within 5 minutes. These values are analyzed by EC 50 , specific speed method, bioluminescence amount method, etc., and the microprocessor displays and performs the storing function and the arithmetic function. These values are outputted on a liquid crystal screen or the like, and are outputted through a printer port or a communication port.

본 발명은 고정화된 발광미생물을 이용한 독성물질 측정방법 및 이를 위한 바이오센서키트를 제공함으로써, 본 발명은 고정화발광미생물을 사용함으로써 별도의 발광미생물의 전처리단계를 필요로 하지 않으므로 신속하고 사용상 간편하며 경제적인 독성물질 분석 장치 및 방법을 제공함이 장점이다. 또한 물리화학적 분석에서도 분석하기가 어려운 다양한 미량 독성물질에 대한 생물학적 독성도를 나타내는 효과적인 장치 및 방법이다.The present invention provides a method for measuring toxic substances using an immobilized luminescent microorganism and a biosensor kit for the same, so that the present invention does not require a pretreatment step of a separate luminescent microorganism by using immobilized luminescent microorganisms, The present invention provides an apparatus and method for analyzing toxic substances. It is also an effective apparatus and method for indicating the biological toxicity of various trace toxic substances which are difficult to analyze even in physicochemical analysis.

Claims (9)

포토박테리움 포스포럼(Photobacterium phosphoreum), 비브리오 피쉐리(Vibrio fischeri) 또는 이들의 발광효소를 코딩하는 유전자(lux gene)를 숙주미생물에 도입한 재조합균주 중에서 선택되고 고정화화된 발광미생물이 독성물질로 인한 광량의 변화를 측정하여 분석하는 것을 특징으로 하는 독성물질의 측정방법.A photobacterium phosphoreum, a vibrio fischeri, or a recombinant strain in which a gene encoding a luminescent enzyme thereof (lux gene) is introduced into a host microorganism, and the immobilized light emitting microorganism is selected as a toxic substance And measuring and analyzing a change in light amount caused by the measurement of the amount of the toxic substance. 제 1 항에 있어서, 추가로 측정된 독성물질농도가 설정값이상일 때 경보하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.2. The method of claim 1, further comprising alarming when the further measured toxicant concentration is above a predetermined value. 제 1 항에 있어서, 상기 고정화 발광미생물은 알기네이트, 스트론튬 알기네이트, 카파-카라지난(κ-carrageenan), 폴리아크릴아미드, 셀룰로스, 아가로스중에서 선택되는 다공성 기질에 고정화된 것을 특징으로 하는 독성물질의 농도를 측정하는 방법.The method of claim 1, wherein the immobilized light emitting microorganism is immobilized on a porous substrate selected from the group consisting of alginate, strontium alginate, kappa -carrageenan, polyacrylamide, cellulose, and agarose. By weight. 제 1 항에 있어서, 광측정기를 이용하여 광량의 변화를 전하량으로 전환하고 연산수단으로 분석하여 저장하는 것을 특징으로 하는 독성물질의 농도를 측정하는 방법.The method for measuring the concentration of a toxic substance according to claim 1, wherein the change of the quantity of light is converted into a quantity of charge by using an optical measuring device, and the quantity of the quantity of the toxic substance is analyzed by a calculation means. 제 4 항에 있어서, 전하량의 변화를 감마법, 비속도법, 생체발광도법으로 분석하는것을 특징으로 하는 독성물질의 농도를 측정하는 방법.The method for measuring the concentration of a toxic substance according to claim 4, wherein the change of the amount of charge is analyzed by a magic magic, a specific velocity method, and a bioluminescence method. 망에 의해 지지되는 고정화 발광미생물, 그 하부에 위치하여 수계에 직접 접촉하며 망으로 지지된 고정화미생물을 지지하고 암실조건을 제공하기 위한 수단, 지지된 고정화 발광미생물의 상부에 순차로 밴드필터 및 수질독성에 따른 광량변화를 측정하는 광측정기로 이루어진 측정부와, 측정부에서의 측정치를 수질독성농도로 환산하는 연산수단 및 그 연산수단에 연결된 입출력 수단으로 이루어지는, 고정화 발광미생물을 이용한 독성물질 측정용 바이오센서키트.Means for supporting the immobilized microorganism supported by the net and supporting the immobilized microorganism which is in direct contact with the water system and supported by the net, and for providing a darkroom condition; a band filter and water quality For measuring toxic substances using immobilized light emitting microorganisms, comprising a measuring unit consisting of an optical measuring instrument for measuring a change in light quantity according to toxicity, computing means for converting the measurement value in the measuring unit into a water toxic concentration and input / output means connected to the computing means Biosensor kits. 제 6 항에 있어서, 상기 고정화미생물을 지지하고 암실조건을 제공하기 위한 수단이 탈착이 가능한 캡구조인 것을 특징으로 하는 고정화발광미생물을 이용한 독성물질 측정용 바이오센서키트.The biosensor kit for measuring toxic substances using immobilized light emitting microorganisms according to claim 6, wherein the means for supporting the immobilizing microorganisms and providing a dark room condition is a removable cap structure. 제 6 항에 있어서, 상기의 광측정기가 광증폭튜브(PMT, Photomultiplier tubes) 또는 포토다이오드(photodiode)인 것을 특징으로 하는 고정화 발광미생물을 이용항 독성물질 측정용 바이오센서키트.The biosensor kit according to claim 6, wherein the optical measuring instrument is PMT (Photomultiplier tubes) or a photodiode. 제 6 항에 있어서, 상기 출력장치가 모니터, 프린터 포트, 통신포트 및 경보 또는 알람장치 중에서 선택된 하나이상의 장치인 것을 특징으로 하는 고정화발광미생물을 이용한 독성물질 측정용 바이오센서키트.The biosensor kit according to claim 6, wherein the output device is at least one device selected from a monitor, a printer port, a communication port, and an alarm or an alarm device.
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