KR100566556B1 - 비 접촉식 피에이치 측정 방법 및 이에 적용되는 지시약 - Google Patents

비 접촉식 피에이치 측정 방법 및 이에 적용되는 지시약 Download PDF

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Abstract

비 접촉식 pH 측정 방법 및 이에 적용되는 지시약이 개시되어 있다. pH 측정 방법은 pH 분석용 시료와 시료의 pH에 따라 색변화가 나타나는 지시약이 소정 영역 내에서 독립적으로 함께 흐르면서 확산작용(Diffusion)이 일어나도록 상기 시료와 지시약을 각각 도입시킨다. 확산작용으로 색변화가 나타난 지시약에 광을 조사한다. 이어서, 색변화가 나타난 지시약을 투과한 광의 파장의 특성을 비교 분석하여 시료의 pH를 측정한다. 상술한 pH 측정 방법은 소량의 시료만으로 비접촉식으로 분석하고자 하는 시료의 pH를 정확하고 간단하게 측정할 수 있는 효과를 가지고 있으며, 개발된 지시약은 pH 0 에서 14 사이에서 감응한다.

Description

비 접촉식 피에이치 측정 방법 및 이에 적용되는 지시약{Method of Not Contact pH detection and Indicator Using the Same}
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 pH 측정 방법을 나타내는 공정흐름도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 pH 측정 방법을 적용하기 위한 pH 분석 장치를 나타내는 구성도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 pH 측정 방법을 나타내는 공정흐름도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 pH 측정 방법을 적용하기 위한 pH 분석 장치를 나타내는 구성도이다.
도 5는 pH 변화에 따라 색변화가 나타난 티몰 블루의 광 투과율을 나타내는 그래프이다.
도 6은 pH 변화에 따른 티몰 블루의 광 투과율의 차이에 따라 측정되는 전류의 세기변화를 나타내는 그래프이다.
도 7은 pH 변화에 따른 크레졸 레드의 광 투과율의 차이에 따라 측정되는 전류의 세기변화를 나타내는 그래프이다.
도 8은 pH 및 광 파장의 변화에 따른 지시약-X의 흡광도 변화를 나타내는 그 래프이다.
도 9는 pH의 변화에 따른 지시약-X의 광 투과율 차이에 따라 측정되는 전류의 세기변화를 나타내는 그래프이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
100 : 랩온어칩 110 : 제1 기판
112 : 제1 마이크로 채널 114 : 제2 마이크로 채널
116 : 도입 채널부 118 : 통합 채널
120 : 제3 마이크로 채널 122 : 제4 마이크로 채널
126 : 배출 채널부 130 : 제2 기판
150 : 분석 키트 160 : 광원
170 : 디텍터 200 : pH 분석장치
본 발명은 pH 측정 방법 및 이에 적용되는 지시약에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 소량의 시료만으로 분석하고자 하는 물질의 pH를 비접촉식으로 정밀하게 분석할 수 있는 pH 측정 방법 이에 적용되는 지시약에 관한 것이다.
최근, 반도체 산업 및 바이오 산업이 급속히 발달함에 따라 환경 및 청정 산업에 대한 관심이 증대되며, 그 수요도 폭발적으로 증가하고 있는 실정이다. 반도체, 바이오 및 중공업 산업의 경우, 각종 세정액(cleaning solution) 및 공업용수 에 존재하는 수소 이온농도를 지속적으로 관찰, 제품의 품질 및 환경 오염물질의 배출 정도의 관리가 매우 중요시되고 있다.
따라서, 상술한 물질들을 물성 및 화학적 특성을 분석 할 수 있는 분석장비와 기술의 중요성이 증대되고 있는 실정이다. 특히, 고집적 반도체 소자를 제조하는 공정에서는 유해하고 부식성이 강한 HF, HCl, 황산 등 포함하는 식각액 및 암모니아수 등의 강한 염기를 포함하는 세정액 등을 사용되고 있다. 이렇게 반도체 제조 공정에 사용되는 식각액과 세정액의 pH 변화가 발생할 경우 고집적 반도체 소자의 미세 패턴 형성 및 오염입자 제거에 큰 영향을 미치기 때문에 pH의 신속하고 지속적인 관리가 소홀하다면 chip 내에 불량이 발생하고, 생산 수율이 급감하게 되는 문제점을 초래한다.
특히 바이오 산업에서는 극히 치명적인 물질을 다루는데, 이러한 물질이 매우 적은 양이며 고가이므로 pH를 측정함에 있어 그 손실이 매우 크다. 현재 산업에서는 이러한 pH를 관리하는 on-line 시스템이 개발되어 있으나, 측정에 이용되는 시료의 양이 매우 많으며, 측정된 시료는 다시 회수가 불가하여 환경오염 물질의 배출이 불가피 하다.
일반적으로 널리 사용되는 pH 측정장치(pH meter)는 유리막 전극(Glass membrane electrode)을 이용하여 전기화학적으로 분석하고자 하는 시료의 pH를 측정하는 것이 보편 적이다.
상술한 pH 측정장치의 유리막 전극은 전기 화학적 반응으로 상기 시료의 pH를 측정하기 때문에 상기 유리막 전극이 잠길 정도의 많은 양(10mL 이상)의 시료가 필요하다. 이 때문에 상기 유리막 전극이 적용된 pH 측정장치는 매우 적은 양을 사용하는 대부분의 바이오 시료들의 pH 측정에 한계가 있다. 그리고, 상기 유리막 전극이 적용된 pH 측정장치는 시료와 직접 접촉하여 전기 화학적 반응으로 시료의 pH를 측정하기 때문에 기억효과, 부식, 등의 문제가 초래되어 상기 유리막 전극의 수명이 짧아지는 문제점이 발생한다. 특히, 유리막 전극은 HF에 매우 민감하고 보관이 까다로우며 비교적 고가에 판매되고 있을 뿐만 아니라, 장기간 사용할 경우, 접촉식에 따른 오염 등에 기인한 신호의 안정성이 나빠지는 문제점을 가지고 있어 정밀한 분석이 요구되는 반도체 산업 및 바이오 산업에 적용이 어려운 실정이다.
따라서, 상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 제1 목적은 분석하고자 하는 시료의 pH에 따라 색변화가 나타나는 지시약의 광 투과도를 이용함으로서, 수십 ㎕의 시료만으로 정확하게 pH를 측정하는 방법을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 비접촉식 pH 측정 방법시 특정 파장에 대하여 pH 전체 영역에서 감응도가 우수한 pH 측정용 지시약을 제공하는데 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 비접촉식 pH 측정 방법은,
pH 분석용 시료와 상기 시료의 pH에 따라 색변화가 나타나는 지시약이 소정 영역 내에서 독립적으로 함께 흐르면서 확산작용(Diffusion)이 일어나도록 상기 시료와 지시약을 각각 도입하는 단계; 상기 도입된 시료와 지시약의 확산작용으로 색변화가 나타난 지시약에 광을 조사하는 단계; 및 상기 색변화가 나타난 지시약을 투과한 광의 세기를 분석하여 상기 시료의 pH를 측정하는 단계를 포함하고 있다.
또한, 본 발명의 다른 비접촉식 pH 측정 방법은,
다중 채널을 갖는 랩온어 칩의 제1 채널에 pH 분석용 시료를, 상기 랩온어 칩의 제2 채널에 상기 시료의 pH 변화에 따라 색변화가 나타나는 지시약을 각각 도입하는 단계; 상기 도입된 시료와 지시약이 상기 제1 채널과 제2 채널이 통합된 통합 채널 내에서 독립적으로 함께 흐르면서 확산 작용이 일어나도록 하여 상기 지시약의 색변화를 발생시키는 단계; 상기 색변화가 나타난 지시약에 광을 조사하는 단계; 및 상기 색변화가 나타난 지시약을 투과한 광의 세기를 분석하여 상기 시료의 pH를 측정하는 단계를 포함하고 있다.
또한, 본 발명의 다른 비접촉식 pH 측정 방법은,
다중 채널을 갖는 랩온어 칩의 제1 채널에 산성도에 따라 색변화가 나타나는 제1 지시약을, 상기 랩온어 칩의 제2 채널에 pH 분석용 시료를, 상기 랩온어 칩의 제3 채널에 염기성도에 따라 색변화가 나타나는 제 2지시약을 각각 도입하는 단계; 상기 도입된 시료와 제1 및 제2 지시약이 상기 제1 채널, 제2 채널 및 제3 채널이 통합된 통합 채널 내에서 독립적으로 함께 흐르면서 확산 작용이 일어나도록 하여 상기 제 1지시약 또는 제2 지시약의 색변화를 발생시키는 단계; 상기 색변화가 나타난 제1 지시약 또는 제2 지시약에 광을 조사하는 단계; 및 상기 색변화가 나타난 제1 지시약 또는 제2 지시약을 투과한 광의 세기를 분석하여 상기 시료의 pH를 측정하는 단계를 포함하고 있다.
그리고, 상술한 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 pH 측정용 지시약은,
메틸 오렌지(methyl orange) 36 내지 39중량%, 브로모크레졸(Bromocresol) 16.5 내지 18.5중량%, 브로모페놀(BromopHenol) 28.5 내지 31.5중량%, 티몰블루(Thymol blue) 11.5 내지 13.5중량% 및 크레졸 레드(Cresol red) 2 내지 3중량%를 포함한다.
특히, 본 발명에 따른 비 접촉식 pH 측정 방법은 분석하고자 하는 시료의 pH에 따라 색이 변하는 지시약의 광 투과율 및 마이크로 단위의 미세 채널을 포함하는 랩온어칩(lab-on-a-chip) 기술이 적용되기 때문에 단지 수십 ㎕의 시료만으로 상기 시료의 pH를 매우 정확하게 검출할 수 있다.
또한, 본 발명의 pH 측정 방법에 적용되는 지시약은 특정 파장을 갖는 광에 대하여 pH 감응 영역이 매우 넓어 상기 시료가 산성인지 염기성인지에 따라 별도의 지시약을 달리 적용할 필요가 없기 때문에 광범위한 pH 분석에 매우 효과적으로 사용할 수 있는 특성을 가지고 있다.
이하, 본 발명의 pH 측정 방법 이에 적용되는 지시약에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 pH 측정 방법은 분석하고자 하는 시료의 pH에 따라 색변화를 갖는 지시약과, 광학적 특성(광 투과도 또는 광 흡광도)의 기술을 이용한 방법으로서, 반도체 산업, 바이오 산업, 실험실등과 같이 산과 염을 포함하는 물질을 사용하는 곳에서 널리 적용된다.
이와 같은 pH 측정 방법의 개념을 살펴보면, 먼저 pH 분석용 시료와 상기 시 료의 pH에 따라 색변화가 나타나는 지시약을 소정 공간에서 반응시켜 상기 지시약의 색변화가 일어나도록 한다. 이어서, 상기 색변화가 나타난 지시약에 광을 조사한 후, 상기 지시약을 투과한 광 투과율(%) 또는 지시약에 흡수된 광의 흡광도을 측정하여 pH 기준 데이터에 비교함으로서, 상기 시료의 pH를 정확히 분석하는 방법이다.
상술한 방법에서 본 발명의 지시약-X를 사용할 경우 상기 지시약-X는 전체 pH 영역에서 감응할 수 있기 때문에 상기 방법에서 분석하고자 하는 시료의 pH의 크기를 고려하지 않고 적용할 수 있다.
여기서, 본 발명의 지시약-X는 메틸 오렌지(methyl orange)와, 브로모크레졸(Bromocresol)과, 브로모페놀(Bromophenol)과, 티몰블루(Thymol blue)와 크레졸 레드(Cresol red)등의 여러 가지 지시약을 포함하고 있어 특정 파장에서 전체 pH 영역에 대한 감응도가 매우 우수한 특성을 가지고 있다.
또한, 상술한 방법에서 본 발명의 지시약-X를 사용하지 않고 종래에 존재하는 지시약을 사용하고자 할 경우 적어도 2개의 지시약을 동시에 사용해야 한다. 이는 종래의 지시약이 전체 pH 영역이 아닌 일부 pH영역에서만 직선적으로 반응하기 때문이다. 따라서, pH 1~7 영역에서 감응도가 우수한 제1 지시약과 pH 8~14 영역에서 감응도가 우수한 제2 지시약을 동시에 사용해야 한다. 이 경우, 위에서 언급한 제1 지시약 및 제2 지시약을 이용한 pH 측정 방법은, 제1 지시약, pH 분석용 시료 및 제2 지시약이 소정 영역 내에서 독립적으로 함께 흐르면서 확산작용(Diffusion)이 일어나도록 상기 시료와 제1 및 제2지시약을 각각 도입된다. 이때, 상기 시료는 제1 및 제2 지시약 사이에 흐르면서 제1 지시약과 제2 지시약에 면접된 상태를 이루어 확산작용이 용이하게 일어날 수 있도록 도입된다.
이어서, 제1 지시약 또는 제2 지시약 중에서 색변화가 발생된 지시약에 광을 조사한 후, 상기 색변화가 일어난 지시약을 투과한 광의 세기(광 투과율)와 기준 pH 데이터를 비교함으로서, 상기 시료의 pH를 정확히 분석할 수 있다.
상기 기준 pH 데이터는 0.01pH 미터까지 측정 가능한 pH 미터를 이용하여 pH 전체 영역에 해당하는 기준시료를 준비한 후, 상술한 제1 및 제2지시약과 기준시료를 반응시켜 색변화가 나타난 지시약의 광 투과율 세기를 반복 측정하여 평균화한 값이다.
따라서, 상술한 본 발명의 pH 측정 방법은 소량(수십 ㎕)의 시료만을 이용하여 반도체 제조 공정 및 생물학적 실험에 적용되는 물질의 pH를 비접촉식 방법으로 보다 정확히 측정할 수 있을 뿐만 아니라 작업 현장에서 실시간으로 측정할 수 있는 장점을 가지고 있다.
일반적으로 지시약(indicate)은 적정의 당량점을 판별하거나 수소 이온농도를 알기 위해서 사용된다. 지시약의 종류로는 변화가 급격히 일어나는 것에 의해서 당량점 또는 적정의 지시를 육안으로 직접 관찰할 수 있는 정색 지시약(색의 변화), 형광 지시약(형광의 변화), 화학발광 지시약(발광의 생성), 혼탁 지시약(혼탁의 생성), 침전지시약(침전의 생성)등을 들 수 있고, 이 밖에 물리화학적 성질의 변화에서 종점을 지시하는 전류 지시약이나 표면활성 지시약 등이 있다.
이러한 지시약 중에서 가장 널리 사용되는 것은 정색 지시약인데, 상기 정색 지시약은 종점이 되면 무색에서 유색으로, 또는 유색에서 무색으로 변하는 1색 지시약과, 종점이 되면 어떤 색에서 다른 색으로 변하는 2색 지시약으로 구분된다.
일반적으로 지시약은 그 자신이 약한산의 성질을 갖고 있기 때문에 용액 중에서 하기 반응식 1식과 같은 특성이 나타난다.
H-indicator(지시약) ----＞ H+ + indicator - -----(반응식 1)
여기서, 상기 반응식 1의 해리상수는 Ka = [H+][indicator]/ [H-indicator] 이다. 대부분은 일반적인 지시약은 pKa(-log Ka)보다 낮은 pH에서는 대부분이 비 해리형의 H-indicator로 존재하지만 pKa보다 높은 pH에서는 색상이 다른 이온형, 즉 indicator-로 존재하며, 따라서 특정 pH 영역에서만 감응한다.
이에 반해, 본 발명의 지시약-X는 정색 지시약으로 주변의 pH가 변화함에 따라 자신의 색깔이 변화되기 때문에 분석하고자 하는 시료의 pH를 효과적으로 측정할 수 있는 특성을 가지고 있다. 이는 본 발명의 지시약-X가 메틸 오렌지(methyl orange) 36 내지 39중량%, 브로모크레졸(Bromocresol) 16.5 내지 18.5중량%, 브로모페놀(BromopHenol) 28.5 내지 31.5중량%, 티몰블루(Thymol blue) 11.5 내지 13.5중량% 및 크레졸 레드(Cresol red) 2 내지 3중량%를 포함하고 있기 때문이다.
즉, 본 발명은 지시약-X는 전체 pH 영역에서 감응하는 색변화가 매우 크기 때문에 관찰하고자 하는 시료의 종류에 관계없이 상기 시료의 pH를 보다 효과적으로 측정할 수 있는 특징을 가지고 있다.
이하 본 발명에 따른 실시예들을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 여기서, 하기 실시예들는 본 발명을 한정하지 않고, 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하다.
[실시예 1]
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 pH 측정 방법을 나타내는 공정흐름도이고, 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 pH 측정 방법을 적용하기 위한 pH 분석 장치를 나타내는 구성도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 다수개의 마이크로 채널이 형성된 랩온어칩(Lap-on-a-chip;100)의 제1 마이크로 채널(112)로 pH 분석용 시료를 도입하고, 랩온어칩(100)의 제2 마이크로 채널(114)로 상기 시료의 pH의 변화에 따라 색변화가 일어나는 지시약-X를 도입하였다(단계 S100).
여기서, 지시약-X는 메틸 오렌지(methyl orange)와, 브로모크레졸(Bromocresol)과, 브로모페놀(BromopHenol)과, 티몰블루(Thymol blue)와 크레졸 레드(Cresol red)등의 여러 가지 지시약을 포함하고 있는 지시약으로 전 pH 영역에서 색변화에 대한 감응도가 우수한 특성을 가지고 있다.
이어서, 제1 마이크로 채널(112)로 도입된 시료와 제2 마이크로 채널(114)로 도입된 지시약-X는 제1 마이크로 채널(112)과 제2 마이크로 채널(114)이 통합되는 통합 채널(118)내에서 독립적으로 함께 흐름으로서, 상기 시료와 지시약-X의 확산작용(Diffusion)으로 인해 상기 지시약-X의 색변화가 발생한다(S110,S120).
이어서, 상기 시료가 랩온어칩(100)의 제3 마이크로 채널(120)로 유입되고, 색변화가 일어난 지시약-X가 랩온어칩(100)의 제4 마이크로 채널(122)로 유입되면, 상기 색변화를 갖는 지시약-X가 유입된 제4 마이크로 채널(122)에 소정의 파장을 갖는 광을 조사하였다(S130,S140).
여기서, 상기 지시약-X가 제2 마이크로 채널(114) 및 혼합 채널(118)을 통하여 제4 마이크로 채널(122)로 유입되도록 하기 위해서는 맥동 펌프(peristaltic pump), 플런저 펌프(plunger pump), 더블-플런저 펌프(double-plunger pump), 시린지 펌프(syringe pump) 등과 같은 펌프가 사용된다. 또한, 상기 시료를 제3 마이크로 채널(120)로 유입되도록 하기 위해서도 펌프를 사용한다.
이어서, 상기 색변화가 나타난 지시약-X를 투과한 광의 세기를 측정한 이후, 미리 마련한 기준 pH 데이터를 비교함으로서 상기 시료의 pH를 측정하였다(S150).
이러한 상기 단계들(S100~S150)을 수행함으로서, 적은 량의 시료만으로 보다 간편하고 정확하게 상기 시료의 pH를 보다 빠르게 분석할 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 실시예 1의 pH측정 방법은 도 2에 도시된 바와 같이 pH를 분석하기 위한 장치를 소형화 할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같은, 본 발명의 pH 분석 장치(200)는 크게 다수개의 마이크로 채널들이 형성된 랩온어칩(lab-on-a-chip;100)과, 소정의 파장을 갖는 광원(160) 및 광의 세기를 감지하는 디텍터(170)를 포함하는 분석 키트(150), 상기 디텍터로부터 발생된 신호를 증폭하는 증폭기 및 증폭된 신호를 디스플레이하는 디스플레이부를 포함하고 있다.
본 발명의 pH 분석장치(200)의 랩온어칩(100)은 소정의 패턴이 형성된 제1 기판(110)과 제2 기판(130)이 부착된 구조를 가지고 있다. 제1 기판(110)에는 pH를 분석하고자 하는 시료가 유입되는 제1 마이크로 채널(112)과 상기 시료의 pH에 따라 색변화가 나타나는 지시약이 유입되는 제2 마이크로 채널(114)을 포함하는 도입 채널부(116)가 형성되어 있다.
그리고, 제1 기판(110)에는 상기 제1 마이크로 채널(112)과 제2 마이크로 채널(114)이 통합되어 상기 시료와 지시약이 독립적으로 함께 흐르면서 확산작용(Diffusion)이 일어나는 통합 채널(118)이 형성되어 있다. 또한, 제1 기판(110)에는 통합 채널(118)로부터 분기된 제3 마이크로 채널(120) 및 제4 마이크로 채널(122)을 포함하는 배출 채널부(126)가 형성되어 있다.
상기 통합 채널(118)은 제1 마이크로 채널(112)과 제2 마이크로 채널(114)이 만나서 하나로 형성된 채널로 상기 제1 마이크로 채널(112)을 통해 도입되는 시료와 상기 제2 마이크로 채널(114)을 통해 도입되는 지시약의 확산반응으로 인해 상기 지시약의 색변화가 나타내는 채널이다.
상기 배출 채널부(126)는 색변화가 나타난 지시약과 시료가 서로 분리되는 영역으로서, 제3 마이크로 채널(120)에는 시료가 유입되고, 제4 마이크로 채널(122)에는 색변화가 나타난 지시약이 유입된다.
그리고, 랩온어칩(100)을 형성하기 위한 제1 기판(110) 및 제2 기판(130)은 고무, 실리콘계 고무, 플라스틱, 유리, 실리카 등의 재료를 적용하여 제작할 수 있으나, 본 발명에서는 폴리디메틸실록산(poly dimethylsiloxane; PDMS)를 사용하고 있다. 또한, 상기 랩온어칩의 길이는 약 70mm를 갖고, 두께는 약 4.2mm를 갖고, 랩온어칩에 형성된 마이크로 채널들의 깊이는 약 40㎛를 갖는다.
본 발명의 pH 분석장치(200)는 상기 랩온어칩이 삽입 가능한 분석 키트(150)를 포함하고 있다. 상기 분석 키트(150)는 랩온어칩(100)이 삽입되며, 삽입된 랩온어칩(100)의 제4 마이크로 채널(122)에 유입되고 색변화를 갖는 지시약-X에 광을 제공하는 광원(160)과, 상기 색변화를 갖는 지시약-X를 투과한 광의 세기를 검출하는 디텍터(170)를 포함하는 구성을 가지고 있다.
여기서, 광원(160)은 상기 랩온어칩이 분석 키트(150)에 삽입된 상태일 경우, 상기 랩온의칩의 제4 마이크로 채널(122)에 존재하는 지시약-X에 광을 조사할 수 있는 위치에 해당하는 분석 키트(150)의 상부에 구비되며, 디텍터(170)는 상기 광원(160)과 대향되는 위치인 분석 키트(150)의 하부에 구비된다.
본 발명에서는 여러 가지의 광원을 사용할 수 있지만, 보다 정확하기 시료의 pH를 분석하기 위해서는 570 내지 660nm 파장을 갖는 광원(160)을 사용하는 것이 바람직하다. 본 발명의 pH 분석장치(200)의 광원으로 레드 LED(160)가 사용된다.
상술한 원리를 이용하여 색변화가 나타난 지시약-X를 uv-visible 장치를 이용하여 흡광 스펙트럼을 조사하면, 분석하고자 하는 시료의 pH의 변화를 쉽게 관찰 할 수 있다.
하지만 이러한 조건하에서 흡광 스펙트럼을 얻기 위해서는 단색화장치가 필수적이다. 이러한 단색화 장치는 크기가 매우 크고, 가격이 매우 고가이기 때문에 본 발명과 같은 pH 분석장치(200)의 소형화에 큰 장애를 초래한다. 또한, 다른 방 법으로 CCD를 이용하여 파장별 흡수를 측정할 수 있지만, 마찬가지로 고가의 가격을 요구하고 있기 때문에 바람직하지 않다.
따라서, 이와 같이 단일 파장을 갖은 광원, 랩온어칩과 지시약-X를 이용함으로서 본 발명의 pH 분석장치(200)를 저가의 비용으로 소형화시킬 수 있었다.
[실시예 2]
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 pH 측정 방법을 나타내는 공정흐름도이고, 도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 pH 측정 방법을 적용하기 위한 pH 분석 장치를 나타내는 구성도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 다수개의 마이크로 채널이 형성된 랩온어칩(Lap-on-a-chip;300)의 제1 마이크로 채널(222)로 산성도에 따라 색변화가 나타나는 제1 지시약을 도입하고, 상기 랩온어칩의 제2 마이크로 채널(224)로 상기 pH를 분석하고자 하는 시료를 도입하고, 상기 랩온어칩의 제3 마이크로 채널(226)로 염기성도에 따라 색변화가 나타나는 제2 지시약을 도입한다(단계 S200).
여기서, 상기 제1 지시약은 pH 1 내지 7영역에서 광 투광율 차이가 우수한 크레졸 레드이고, 상기 제2 지시약은 pH 8 내지 14영역에서 광 투광율 차이가 우수한 티몰 블루이다.
이어서, 상기 제1 마이크로 채널(222)로 도입된 제1 지시약과 제2 마이크로 채널(224)로 도입된 시료와, 제3 마이크로 채널(226)로 도입된 제2 지시약이 제1 마이크로 채널(222)과 제2 마이크로 채널(224)과 제3 마이크로 채널(226)이 통합되 는 통합 채널(230)내에서 독립적으로 함께 흐르도록 하여, 상기 시료와 제1 및 제2 지시약의 확산작용(Diffusion)으로 인해 상기 제1 지시약 또는 제2 지시약의 색변화가 발생하였다.(S210,S220)
이어서, 상기 제1 지시약은 다수개의 마이크로 채널이 형성된 랩온어칩(Lap-on-a-chip;300)의 제4 마이크로 채널(232)로 유입되고, 시료는 랩온어칩의 제5 마이크로 채널(234)로 유입되며, 제2 지시약은 랩온어칩의 제6 마이크로 채널(236)로 유입된다. 상기 색변화가 일어난 제1 또는 제2 지시약이 유입된 채널에 소정의 파장을 갖는 광을 조사하였다.(S230,S240)
여기서, 시료 및 지시약을 도입되기 위하여 상기 실시 예1에서와 같은 폄프를 사용하며 pH 측정방법은 상기 기술한 바와 같은 방법으로 시행한다 (S250).
이러한 단계들(S200~S250)을 수행함으로서, 기존의 지시약과 적은 량의 시료만으로 보다 간편하고 정확하게 상기 시료의 pH를 보다 빠르게 분석할 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같은, 본 발명의 pH 분석 장치(400)는 크게 다수개의 마이크로 채널들이 형성된 랩온어칩(lab-on-a-chip;300)과, 소정의 파장을 갖는 제1 및 제2 광원(310a,310b) 및 상기 광의 세기는 감지하는 제1 및 제2 디텍터(320a,320b)를 포함하는 분석 키트(350), 상기 디텍터로부터 발생된 신호를 디스플레이하는 디스플레이부등을 포함하고 있다.
본 발명의 pH 분석장치(400)의 랩온어칩(300)은 소정의 패턴이 형성된 제1 기판(220)과 제2 기판(240)이 부착된 구조를 가지고 있다. 제1 기판(220)에는 산성도에 따라 색변화가 나타나는 제1 지시약이 유입되는 제1 마이크로 채널(222)과 pH 를 분석하고자 하는 시료가 유입되는 제2 마이크로 채널(224), 염기성도에 따라 색변화가 나타나는 제2 지시약이 유입되는 제3 마이크로 채널(226)을 포함하는 도입 채널부(228)가 형성되어 있다.
그리고, 제1 기판(220)에는 상기 제1 마이크로 채널(222), 제2 마이크로 채널(224) 및 제3 마이크로 채널(226)이 통합되어 상기 제1 지시약, 시료 및 제2 지시약이 독립적으로 함께 흐르면서 확산작용(Diffusion)이 일어나는 통합 채널(230)이 형성되어 있다. 또한, 제1 기판(220)에는 통합 채널(230)로부터 분기된 제4 마이크로 채널(232), 제5 마이크로 채널(234) 및 제6 마이크로 채널(236)을 포함하는 배출 채널부(238)가 형성되어 있다.
상기 통합 채널(230)은 제1 마이크로 채널(222), 제2 마이크로 채널(224) 및 제3 마이크로 채널(226)이 만나서 하나로 형성된 채널로 상기 제1 마이크로 채널(222)을 통해 도입되는 제1 지시약과 제2 마이크로 채널(224)을 통해 도입되는 시료와 상기 제3 마이크로 채널(226)을 통해 도입되는 제2 지시약의 확산반응으로 인해 상기 제1 지시약 또는 제2 지시약의 색변화가 나타내는 채널이다.
상기 배출 채널부(238)는 색변화가 나타난 제1 지시약 또는 제2 지시약과 시료가 서로 분리되는 영역으로서, 제4 마이크로 채널(232)에는 제1 지시약이 유입되고, 제5 마이크로 채널(234)에는 시료가 유입되며, 제6 마이크로 채널(236)에는 제2 지시약이 유입된다.
그리고, 랩온어칩(300)을 형성하기 위한 제1 기판(220) 및 제2 기판(240)은 고무, 실리콘계 고무, 플라스틱, 유리, 실리카 등의 재료등을 적용하여 제작할 수 있으나, 본 발명에서는 폴리디메틸실록산(poly dimethylsiloxane; PDMS)를 사용하고 있다. 또한, 상기 랩온어칩의 길이는 약 70mm를 갖고, 두께는 약 4.2mm를 갖고, 랩온어칩에 형성된 마이크로 채널들의 깊이는 약 40㎛를 갖는다.
본 발명의 pH 분석장치(400)는 상기 랩온어칩이 삽입 가능한 분석 키트(350)를 포함하고 있다. 상기 분석 키트(350)는 랩온어칩(100)이 삽입되며, 삽입된 랩온어칩(100)의 제4 마이크로 채널(232)에 유입된 제1 지시약에 광을 제공하는 제1 광원(310a) 제6 마이크로 채널(234)에 유입된 제2 지시약에 광을 제공하는 제2 광원(310b)을 포함하고 있다. 그리고, 상기 제1 광원(310a)과 제2 광원(310b)으로부터 각각 제공되는 광을 검출하는 제1 디텍터(320a) 및 제2 디텍터(320b)를 포함하는 구성을 가지고 있다.
본 발명에서는 여러 가지의 광원을 사용할 수 있지만, 보다 정확하기 시료의 pH를 분석하기 위해서는 570 내지 660nm 파장을 갖는 광원을 사용하는 것이 바람직하다. 본 발명의 pH 분석장치(400)의 제1 광원으로는 적색 LED(310a)가 사용되고, 제2 광원으로는 노란색 LED(310b)가 사용된다.
[실험예 1]
pH 변화에 따른 티몰 블루의 광 투과율 측정
pH 1.62, pH 2.0, pH 2.44, pH 2.8, pH 5.98, pH 7.38, pH 8.5, pH 8.55, pH 8.98, pH 9.98 및 pH 11.08을 갖는 각각의 시료에 티몰 블루를 반응 시켰다. 이어서, 상기 각각의 pH를 갖는 시료와 반응한 티몰 블루에 649.5nm의 파장을 갖는 광 을 조사한 후 pH 변화에 따라 색변화가 나타나는 티몰 블루에 대한 광 투과율의 변화를 측정하여 도 5에 도시된 바와 같은 그래프를 얻었다. 도 5는 pH 변화에 따라 색변화가 나타난 티몰 블루의 광 투과율을 나타내는 그래프이다.
도 5를 참조하면, 상기 티몰 블루는 pH 1에서 pH 6.5 영역에서 광투과율의 변화가 거의 없고, pH 7에서 pH 13영역에서는 광 투과율이 급격히 감소되는 것을 관찰할 수 있었다. 즉, 상기 티몰 블루는 산성도를 갖는 물질의 지시약으로는 적합하지 않고, 염기성도를 갖는 물질의 지시약으로 적합하고, pH에 세기는 광 투과율과 반비례한다는 것을 알 수 있었다.
[실험예 2]
티몰 블루의 광 투과율 변화에 따른 전류의 세기측정
pH 5.98, pH 7.38, pH 8.5, pH 8.55, pH 8.98, pH 9.98 및 pH 11.08을 갖는 각각의 시료에 티몰 블루를 반응시켰다. 이어서, 상기 각각의 pH를 갖는 시료와 반응한 티몰 블루에 649.5nm의 파장을 갖는 광을 조사한 후 pH 변화에 따라 색변화가 나타나는 티몰 블루를 투과한 광을 광 다이오드 검출기(주1)를 이용하여 상기 티몰 블루의 pH 변화에 따른 전류의 세기 변화를 측정함으로서 도 6에 도시된 바와 같은 그래프를 얻었다. 도 6은 pH 변화에 따른 티몰 블루의 광 투과율의 차이에 따라 측정되는 전류의 세기변화를 나타내는 그래프이다.
도 6을 참조하면, 상기 티몰 블루는 pH 5.98 에서 광 투과율이 우수하여 광 다이오드 검출기에서 측정되는 전류(V)의 세기가 다른 pH 영역에 비해 높고, pH 7에서 pH 11영역으로 갈수록 광 투과율이 급격히 감소되기 때문에 광 다이오드 검출기에서 측정되는 전류의 세기는 점점 감소되는 것을 알 수 있었다. 이와 같이 pH는 광 투과율 및 측정되는 전류의 세기에 반비례한다는 것을 알 수 있었다.
(주1) 광 다이오드 검출기(Poto Diode Detector; S1087 hamamatsu(일본))
[실험예 3]
크레졸 레드의 광 투과율 변화에 따른 전류의 세기측정
pH 1.2, pH 1.55, pH 2.0 pH 2.25, pH 2.55, pH 2.88l, pH 3.0, pH 4.0을 갖는 각각의 시료에 크레졸 레드를 반응시켰다. 이어서, 상기 각각의 pH를 갖는 시료와 반응한 크레졸 레드에 575nm의 파장을 갖는 광을 조사하였다. 이어서, pH 변화에 따라 색변화가 나타나는 크레졸 레드를 투과한 광을 광 다이오드 검출기를 이용하여 pH 변화에 따른 크레졸 레드의 전류 세기 변화를 측정함으로서 도 7에 도시된 바와 같은 그래프를 얻었다. 도 7은 pH 변화에 따른 크레졸 레드의 광 투과율의 차이에 따라 측정되는 전류의 세기변화를 나타내는 그래프이다.
도 7을 참조하면, 상기 티몰 블루는 pH 1.0 에서 광 투과율이 우수하여 광 다이오드 검출기에서 측정되는 전류(V)의 세기가 다른 pH 영역에 비해 높고, pH 1.5에서 pH 4.0영역으로 갈수록 광 투과율이 급격히 감소되어 상기 광 다이오드 검출기에서 측정되는 전류의 세기는 점점 감소되는 것을 알 수 있었다. 이와 같이, pH의 세기가 클수록 광 투과율 및 측정되는 전류의 세기 감소하기 때문에 상기 pH 에 세기는 광 투과율 및 전류의 세기에 대하여 반비례한다는 것을 알 수 있었다.
[실험예 4]
pH 및 광 파장의 변화에 따른 지시약(indicate-X)의 흡광도 측정
pH 1, pH 2, pH 3, pH 4, pH 5, pH 6, pH 7, pH 8, pH 9, pH 10, pH 11, pH 12 및 pH 13을 갖는 각각의 시료에 반응한 본 발명의 지시약-X에 200에서 800nm을 갖는 광을 각각 조사하여 지시약-X의 흡광도를 측정하였다. 그 결과가 도 8에 도시되어 있다. 도 8은 pH 및 광 파장의 변화에 따른 지시약-X의 흡광도 변화를 나타내는 그래프이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 광 파장이 200 내지 400nm를 갖는 영역에서는 상기 지시약이 pH의 변화에 따라 흡광도 차이가 나타나지 않는 것을 알 수 있었고, 반면에 광 파장이 550 내지 660nm를 갖는 영역에서는 상기 지시약이 pH 변화에 따라 흡광도의 차이가 크게 나타나는 것을 알 수 있었다.
따라서, 본 발명의 지시약을 이용하여 미지 시료의 pH를 분석할 경우 상기 500 내지 660nm의 광 파장을 갖는 광원을 적용해야 하는 것이 바람직하다.
[실험예 5]
지시약-X의 광 투과율 변화에 따른 전류의 세기측정
pH 1, pH 2, pH 3, pH 4, pH 5, pH 6, pH 7, pH 8, pH 9, pH 10, pH 11, pH 12 및 pH 13을 갖는 각각의 시료에 본 발명의 지시약-X를 반응시켰다. 이어서, 상 기 각각의 pH를 갖는 시료와 반응한 지시약-X에 652nm의 파장을 갖는 광을 조사하였다. 이어서, pH 변화에 따라 색변화가 나타나는 지시약-X를 투과한 광을 광 다이오드 검출기를 이용하여 pH 변화에 따른 지시약-X의 전류 세기 변화를 측정함으로서 도 9에 도시된 바와 같은 그래프를 얻었다. 도 9는 pH의 변화에 따른 지시약-X의 광 투과율 차이에 따라 측정되는 전류의 세기변화를 나타내는 그래프이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 상기 지시약-X는 pH 1 에서 광 투과율이 우수하여 광 다이오드 검출기에서 측정되는 전류(V)의 세기가 다른 pH 영역에 비해 높고, pH 1에서 pH 13영역으로 갈수록 광 투과율이 감소되기 때문에 광 다이오드 검출기에서 측정되는 전류의 세기는 점점 감소되는 것을 알 수 있었다. 이와 같이 pH는 광 투과율 및 측정되는 전류의 세기에 반비례한다는 것을 알 수 있었다.
본 발명에 따른 비 접촉식 pH 측정 방법은 분석하고자 하는 시료의 pH에 따라 색이 변하는 지시약의 광 투과율 및 마이크로 단위의 미세 채널을 포함하는 랩온어칩(lab-on-a-chip) 기술이 적용되기 때문에 단지 수십 ㎕의 시료만으로 상기 시료의 pH를 매우 정확하게 검출할 수 있다.
그리고, 본 발명의 pH 측정 방법에 적용되는 지시약은 특정 파장을 갖는 광에 대하여 pH 감응 영역이 매우 넓어 상기 시료가 산성인지 염기성인지에 따라 별도의 지시약을 달리 적용할 필요가 없기 때문에 광범위한 pH 분석에 매우 효과적으로 사용할 수 있을 뿐만 아니라 현장에서 실시간으로 단시간 내에 저렴한 비용으로 분석하고자 하는 물질의 pH를 정밀하게 분석할 수 있는 효과가 있다. 또한, 이러한 방법은 측정장치의 장비의 소형, 경량화에 기여하는 바가 크다.

Claims (14)

  1. 제1채널, 제2 채널, 상기 제1 채널과 제2 채널이 통합된 통합 채널, 상기 통합 채널로부터 분기된 제3 채널 및 제4 채널을 포함하는 랩 온어 칩(lap on a chip)의 제1 채널에 시료를 주입하는 단계;
    상기 제2 채널에 지시약을 주입하는 단계;
    상기 주입된 시료와 지시약이 상기 통합 채널 내에서 독립적으로 함께 흐르면서 확산 작용이 일어나도록 하여, 상기 지시약의 색변화를 발생시키는 단계;
    상기 확산작용으로 색변화가 나타난 지시약에 광을 조사하는 단계; 및
    상기 색변화가 나타난 지시약을 투과한 광의 세기를 분석하여 상기 시료의 pH를 측정하는 단계를 포함하는 비접촉식 pH 측정 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 지시약은 상기 지시약의 100중량%에 대하여 메틸 오렌지(methyl orange) 36 내지 39중량%, 브로모크레졸(Bromocresol) 16.5 내지 18.5중량%, 브로모페놀(Bromophenol) 28.5 내지 31.5중량%, 티몰블루(Thymol blue) 11.5 내지 13.5중량% 및 크레졸 레드(Cresol red) 2 내지 3중량%를 포함하는 것을 특징을 하는 비접촉식 pH 측정 방법.
  3. 삭제
  4. pH 분석용 시료와 상기 시료의 pH에 따라 색변화가 나타나는 지시약이 소정 영역 내에서 독립적으로 함께 확산작용(Diffusion)이 일어나도록 상기 시료와 지시약을 각각 도입하는 단계;
    상기 확산작용으로 색변화가 나타난 지시약에 광을 조사하는 단계; 및
    상기 색변화가 나타난 지시약을 투과한 광의 세기를 분석하여 상기 시료의 pH를 측정하는 단계를 포함하되,
    상기 지시약은 산성도에 따라 색변화가 나타나는 제1 지시약 및 염기성도에 따라 색변화가 나타나는 제2 지시약을 포함하며, 상기 제1 지시약와 제2 지시약은 혼합된 상태로 도입되지 않고, 상기 소정 영역 내에서 상기 시료를 중심으로 시료의 양측면에 각각 면접하면서 흐르도록 도입되는 것을 특징으로 하는 비접촉식 pH 측정 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제1 지시약은 크레졸 레드이고, 상기 제2 지시약은 티몰 블루인 것을 특징으로 하는 비접촉식 pH 측정 방법.
  6. 제4항에 있어서, 상기 시료와 지시약의 도입은,
    제1 채널과, 제2 채널과, 제3 채널과, 상기 제1 채널, 제2 채널 및 제3 채널이 통합된 통합 채널과, 상기 통합 채널로부터 분기되는 제4 채널과, 제5 채널 및 제6 채널을 포함하는 랩 온어 칩(lap on a chip)의 제1 채널에 제1 지시약을 주입하는 단계;
    상기 제2 채널에 시료를 주입하는 단계;
    상기 제3 채널에 제2 지시약을 주입하는 단계; 및
    상기 도입된 제1 지시약, 시료, 제2 지시약이 상기 통합 채널 내에서 독립적으로 함께 흐르면서 확산 작용이 발생되도록 하여, 상기 제1 지시약 또는 제2 지시약의 색변화를 발생시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 pH 측정 방법.
  7. 제4항에 있어서, 상기 pH를 측정하는 단계는,
    전체 pH 영역에 포함되는 기준 시료들의 광 투과 세기를 각각 반복 측정함으로서 형성된 pH 기준 데이터에 상기 지시약을 투과한 광의 세기를 비교하여 pH를 측정하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 pH 측정 방법.
  8. 다중 채널을 갖는 랩온어 칩의 제1 채널에 pH 분석용 시료를, 상기 랩온어 칩의 제2 채널에 상기 시료의 pH 변화에 따라 색변화가 나타나는 지시약을 각각 도입하는 단계;
    상기 도입된 시료와 지시약이 상기 제1 채널과 제2 채널이 통합된 통합 채널 내에서 독립적으로 함께 흐르면서 확산 작용이 일어나도록 하여 상기 지시약의 색변화를 발생시키는 단계;
    상기 색변화가 나타난 지시약에 광을 조사하는 단계; 및
    상기 색변화가 나타난 지시약을 투과한 광의 세기를 분석하여 상기 시료의 pH를 측정하는 단계를 포함하는 비접촉식 pH 측정 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 지시약은 상기 지시약의 100중량%에 대하여 메틸 오렌지(methyl orange) 36 내지 39중량%, 브로모크레졸(Bromocresol) 16.5 내지 18.5중량%, 브로모페놀(Bromophenol) 28.5 내지 31.5중량%, 티몰블루(Thymol blue) 11.5 내지 13.5중량% 및 크레졸 레드(Cresol red) 2 내지 3중량%를 포함하는 것을 특징을 하는 비접촉식 pH 측정 방법.
  10. 제8항에 있어서, 상기 pH를 측정하는 단계는,
    전체 pH 영역에 포함되는 기준 시료들의 광 투과 세기를 각각 반복 측정함으로서 형성된 pH 기준 데이터에 상기 지시약을 투과한 광의 세기를 비교하여 pH를 측정하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 pH 측정 방법.
  11. 다중 채널을 갖는 랩온어칩의 제1 채널에 산성도에 따라 색변화가 나타나는 제1 지시약을, 상기 랩온어칩의 제2 채널에 pH 분석용 시료를, 상기 랩온어칩의 제3 채널에 염기성도에 따라 색변화가 나타나는 제 2지시약을 각각 도입하는 단계;
    상기 도입된 시료와 제1 및 제2 지시약이 상기 제1 채널, 제2 채널 및 제3 체널이 통합된 통합 채널 내에서 독립적으로 함께 흐르면서 확산 작용이 발생되도록 하여 상기 제 1지시약 또는 제2 지시약의 색변화를 발생시키는 단계;
    상기 색변화가 나타난 제1 지시약 또는 제2 지시약에 광을 조사하는 단계; 및
    상기 색변화가 나타난 제1 지시약 또는 제2 지시약을 투과한 광의 세기를 분 석하여 상기 시료의 pH를 측정하는 단계를 포함하는 비접촉식 pH 측정 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제1 지시약은 크레졸 레드이고, 상기 제2 지시약은 티몰 블루인 것을 특징으로 하는 비접촉식 pH 측정 방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 pH를 측정하는 단계는,
    전체 pH 영역에 포함되는 기준 시료들의 광 투과 세기를 각각 반복 측정함으로서 형성된 pH 기준 데이터에 상기 지시약을 투과한 광의 세기를 비교하여 pH를 측정하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 pH 측정 방법.
  14. 메틸 오렌지(methyl orange) 36 내지 39중량%, 브로모크레졸(Bromocresol) 16.5 내지 18.5중량%, 브로모페놀(Bromophenol) 28.5 내지 31.5중량%, 티몰블루(Thymol blue) 11.5 내지 13.5중량% 및 크레졸 레드(Cresol red) 2 내지 3중량%를 포함하는 조성을 갖고, 전체 pH 영역에서 감응하며,
    제1 채널, 제2 채널, 상기 제1 채널과 제2 채널이 통합된 통합 채널, 상기 통합 채널로부터 분기된 제3 채널 및 제4 채널을 포함하는 랩 온어 칩(lap on a chip)의 제2 채널에 주입되고, 상기 제1 채널에 주입된 시료와 함께 상기 통합 채널 내에서 독립적으로 함께 흐르면서 확산 작용으로 색변화가 발생되는 것을 특징으로 하는 pH 측정용 지시약.
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