KR100823117B1 - 이온 선택성 미소전극의 전위 측정 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이온 선택성 미소전극의 전위 측정 장치에 관한 것으로, 그 구성은 한개의 비교 전극과, 대비되는 다른 이온 선택성 미소전극을 사용하여 각각의 이온 선택성 미소전극에서 발생되는 전위 신호를 동시에 측정하는 멀티 플렉스와, 30 내지 500 메가옴(MΩ)의 높은 전기저항을 가지는 상기 이온 선택성 미소전극으로부터 발생되는 매우 낮은 전기신호를 손실 없이 받아들여 이를 증폭시키는 제1차 증폭부와, 상기 제1차 증폭부의 다시 반전 증폭하는 제2차 증폭부와, 상기 제1차 증폭부 및 제2차 증폭부에서 발생된 증폭된 신호의 노이즈를 제거하여 원하는 신호만을 걸러내는 저역통과필터와, 상기 저역통과필터를 통과한 아날로그 형태의 신호를 디지털로 변화하여 이를 전송하는 에이디(A/D) 컨버터와, 상기 제1차 증폭부 및 제2차 증폭부 사이, 그리고 상기 제2차 증폭부와 저역통과필터 사이에 구성되며, 소스와 부하간의 절연을 수행함으로써 로딩효과를 제거하는 전압 플로워를 포함된 것을 특징으로 하는 것으로서, 의학, 자연과학, 환경공학 등 다양한 분야에서 이온 농도 측정에 사용되는 이온 선택성 미소전극의 출력 신호를 신속하고 정확하게 측정할 수 있는 효과가 있다.
멀티 플렉스 제1차 증폭부 제2차 증폭부 저역통과필터 A/D 컨버터 전압 플로워

Description

이온 선택성 미소전극의 전위 측정 장치{Electric potential measuring instrument with ion seletive microelectrode}
도 1은 이온 선택성 미소전극을 나타낸 개략도.
도 2는 본 발명의 올바른 실시예에 따른 이온 선택성 미소전극의 전위 측정장치의 제조방법의 개략적인 블럭도.
도 3은 도 2에 도시된 본 발명의 회로도.
도 4의 a 또는 b는 도 2에 도시된 본 발명으로 NH4 + 및 NO3 - 이온 선택성 미소전극의 출력신호를 측정한 경우 보정곡선 및 검출한계를 나타낸 도표.
도 5의 a 또는 b는 도 2에 도시된 본 발명으로 NH4 + 및 NO3 - 이온 선택성 미소전극의 출력신호를 측정한 경우 응답시간을 나타낸 도표.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
10 : 제1차 증폭부 20 : 제2차 증폭부
30 : 저역 통과필터 40 : 멀티 플렉스
50 : A/D 컨버터 90 : 전압 플로워
본 발명은 본 발명은 하,폐수 처리시설의 생물막, 수계의 퇴적물 등의 미소환경 뿐만 아니라 벌크 용액에서 특정 이온 성분을 검출할 수 있는 이온 선택성 미소전극의 전위 신호를 측정할 수 있는 전위 측정 장치의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연산 증폭기(Operational amplifier)를 이용하는 2단계의 증폭회로와 증폭된 신호에서 노이즈를 제거하는 저역통과필터, 1개 이상의 전극 신호를 동시에 측정할 수 있는 멀티플렉스, 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 컨버터(converter), 소스와 부하사이의 절연을 수행하는 전압 플로워로 전위 측정 장치를 구성함으로써, 신속하고 정확하게 이온 선택성 미소전극의 전위 신호를 측정할 수 있는 장치에 관한 것이다.
일반적으로 이온 선택성 미소전극 시스템은 신경의 기본 요소인 뉴런의 동작에 대한 전기현상 관측, 근육의 신호 포착을 통한 의수 및 의족을 부드럽게 움직이게 하는 기술 개발 등의 의학분야 뿐만 아니라, 자연과학분야에서는 세포벽 및 식물 뿌리의 근권(Rhizosphere)에서 특정 이온 성분의 이동 현상을 관측하고 있으며, 환경공학 분야에서는 수백 ㎛ 정도밖에 되지않는 하,폐수처리장의 생물막내에서 암모늄(NH4 +), 질산이온(NO3 -) 등의 기질이온 농도 프로파일을 모니터링 함으로써 생물막 공정의 제어 및 효율성 증대에 관한 연구에 사용되고 있다.
상기와 같이 다양한 활용성을 가지는 이온 선택성 미소전극 시스템의 개발에 관한 국내기술로서 액상 이온 선택성 교환막(liquid ion selective exchanger)을 사용한 수소이온(H+),암모늄이온(NH4 +), 질산이온(NO3 -) 선택성 미소전극의 제작에 관한 특허(특허 0549287 호)가 등록되어 있어나, 이러한 미소전극에서 발생되는 전위를 측정할 수 있는 장치에 대한 기술은 개발되어 있지 않다.
본 발명은 상기한 바와 같은 제반 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 그 목적은 의학, 자연과학, 환경공학 등 다양한 분야에서 이온 농도 측정에 사용되는 이온 선택성 미소전극의 출력 신호를 측정할 수 있는 전위 측정 장치를 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이온 선택성 미소전극의 전위 측정 장치는 한개의 비교 전극과, 대비되는 다른 이온 선택성 미소전극을 사용하여 각각의 이온 선택성 미소전극에서 발생되는 전위 신호를 동시에 측정하는 멀티 플렉스와, 30 내지 500 메가옴(MΩ)의 높은 전기저항을 가지는 상기 이온 선택성 미소전극으로부터 발생되는 매우 낮은 전기신호를 손실 없이 받아들여 이를 증폭시키는 제1차 증폭부와, 상기 제1차 증폭부의 다시 반전 증폭하는 제2차 증폭부와, 상기 제1차 증폭부 및 제2차 증폭부에서 발생된 증폭된 신호의 노이즈를 제거하여 원하는 신호만을 걸러내는 저역통과필터와, 상기 저역통과필터를 통과한 아날로그 형태의 신호를 디지털로 변화하여 이를 전송하는 에이디(A/D) 컨버터와, 상 기 제1차 증폭부 및 제2차 증폭부 사이, 그리고 상기 제2차 증폭부와 저역통과필터 사이에 구성되며, 소스와 부하간의 절연을 수행함으로써 로딩효과를 제거하는 전압 플로워를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이온 선택성 미소전극의 전위 측정장치의 제조방법을 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명한다.
본 발명에서 전위를 측정하고자 하는 이온 선택성 미소전극의 형태를 도1에 나타내었다.
여기에서 액상 이온 선택성 교환막(Liquid ion selective exchanger)은 전해액(Electrolyte)에 포함되는 암모늄이온, 질산이온 등의 특정이온을 선택적으로 투과하는 액체이온투과담체를 사용한다.
또한, 이온 감지부인 팁의 크기는 1~5㎛로 미세하여 미소환경에 전극의 직접 침투 및 측정이 가능하며, 30~500 MΩ의 높은 전기저항을 가진다.
도 2는 본 발명의 올바른 실시예에 따른 이온 선택성 미소전극의 전위 측정장치의 제조방법의 개략적인 블럭도이다.
30~500 MΩ의 높은 전기저항을 가지는 이온 선택성 미소전극으로부터 발생되는 매우 낮은 전기신호를 손실 없이 받아들여 증폭시키기 위하여 제1차 증폭부(10)에서는 Ultra-low bias current 연산 증폭기와 외부저항을 이용하여 2 ~ 10배의 이득(Gain)을 얻도록 증폭할 수 있으며, 바람직하게는 3배의 이득을 얻도록 증폭하는 것이 좋다.
이때, 상기 제1차 증폭부(10)는 반전 또는 비반전 증폭회로로 구성될 수 있 다.
제2차 증폭부(20)는 Low noise J-FET dual 연산 증폭기와 외부저항을 이용하여 2 ~ 10배의 이득(Gain)을 얻도록 증폭할 수 있으며, 바람직하게는 2배의 이득을 얻도록 증폭하는 것이 좋다.
이때, 상기 제2차 증폭부(20)는 반전 또는 비반전 증폭회로로 구성될 수 있으며, Low noise J-FET dual 연산 증폭기는 상기 제1차 증폭부(10)에서 증폭된 전기신호로 작동되어진다.
저역통과필터(Low pass filter)(30)는 상기 제1차 증폭부(10) 및 상기 제2차 증폭부(20)에서 증폭된 전기신호에서 원하는 신호만을 걸러내기 위하여 5 ~ 15 ㎐의 필터로 구성될 수 있으며, 바람직하게는 10 ㎐로 구성하는 것이 좋다.
상기 저역통과필터(30)를 5 ㎐이하로 구성하면 전위 측정 장치의 응답시간이 지체되게 되고, 15 ㎐이상이면 노이즈가 충분히 제거되지 못하는 문제가 있다.
멀티 플렉스(40)는 비교전극과 이온 선택성 미소전극을 사용하여 이온 선택성 미소전극에서 발생되는 전위 신호를 측정하는 것이다.
본 발명에서는 1개의 비교전극과 1 ~ 4개의 다른 이온 선택성 미소전극을 사용하여 각각의 이온 선택성 미소전극에서 발생되는 전위 신호를 동시에 측정할 수 있는 형태로 구성될 수 있다.
A/D 컨버터(50)에서는 아날로그 형태의 신호를 디지털로 변환하며, 변환된 디지털 신호는 컴퓨터 등의 데이터처리 시스템(60)으로 전송될 수 있다.
상기 제1차 증폭부(10)와 상기 제2차 증폭부(20) 사이와 상기 제2차 증폭 부(20)와 상기 저역통과필터(30) 사이에 전압 플로워(Voltage Follower)(90)가 구성되며, 이는 소스와 부하간에 절연을 수행함으로써 로딩효과(Loading effect)를 제거한다
이와 같은 본 발명은 다음의 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하겠는 바, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 올바른 실시예를 기술하면 다음과 같다.
도 3은 도 2에 도시된 본 발명의 회로도이다.
높은 저항을 가지는 미소전극으로부터 발생되는 미세신호를 증폭하기 위하여 신호 계측기의 첫 단에 Ultra-Low Bias Current 연산 증폭기인 OPA 129(Offset voltage : max 2mV, Bias current : max 100fA)와 외부 저항을 이용하여 ×3 이득(Gain)의 비반전 증폭회로인 상기 제1차 증폭부(10)를 구성하였다.
상기 제1차 증폭부(10)에서의 출력신호를 Low Noise J-FET Dual 연산 증폭기인 TL 072와 외부 저항을 이용하여 ×(-2) 이득(Gain)의 반전 증폭회로인 상기 제2차 증폭부(20)를 구성하였다.
증폭된 신호는 노이즈를 제거하여 원하는 신호만을 걸러내기 위하여 10㎐의 상기 저역통과필터(30)를 통과시킨 후 퍼스널 컴퓨터(Personal computer)로 데이터를 전송할 수 있도록 상기 A/D 컨버터(AD 976)(50)에서 신호를 디지털로 변환하였다.
상기 제1차 증폭부(10)와 상기 제2차 증폭부(20) 사이와 상기 제2차 증폭부(20)와 상기 저역통과필터(30) 사이에 TL 072를 사용하여 상기 전압 플로워(90) 를 구성하여 소스와 부하간에 절연을 수행함으로써 로딩효과(Loading Effect)를 제거하였다.
상기 전위 측정 장치는 NH4 + 및 NO3 - 이온 선택성 미소전극을 사용하여 10-1부터 10- 7몰농도까지 농도변화를 하면서 상기 제작된 전위 측정 장치를 이용하여 각각의 응답신호(전위차)를 측정하여 보정곡선 및 검출한계, 응답시간을 파악하였다.
실험예 1. 보정곡선 및 검출한계
각각의 몰농도에서 NH4 + 및 NO3 - 이온 선택성 미소전극의 전위 신호를 측정하여 몰농도 변화와 측정 전위의 관계를 플롯하여 보정곡선을 파악하였으며, 그 결과를 도4에 나타내었다.
보정곡선에서 농도변화에 따른 측정 전위가 선형적 비례 관계를 나타내부 부분과 농도변화에 따른 측정 전위의 변화가 나타나지 않는 부분으로 나누어지며 이러한 두 선의 교차점이 검출한계가 된다.
제작된 전위 측정 장치를 이용하여 산출된 보정곡선식의 기울기는 NH4 + 미소전극을 사용한 경우 평균 -54.78mV/decade이었으며, NO3 - 미소전극을 사용한 경우 평균 53.82mV/decade로서 Nernst 식에 의한 1가 이온의 이론적 값인 59 mV/decade와는 큰 차이가 없었다.
개별 보정곡선식의 차이는 수작업으로 만들어진 각 이온 선택성 미소전극의 특성 차이로 인한 것으로 판단된다. 또한 각각의 몰농도와 측정 전위의 관계를 나타내는 보정곡선에서 결정계수(R2) 값이 0.9889 이상으로 나타나 본 전위 측정 장치는 이온 선택성 미소전극의 출력신호를 정확하게 측정할 수 있는 것으로 나타났다.
각 전극의 검출한계는 NH4 + 미소전극이 평균 10-5.95 M, NO3 - 미소전극이 평균 10-5.30 M로 나타나, 이온 선택성 미소전극의 일반적인 검출한계와 일치하였다.
실험 예 2. 응답시간
응답시간은 측정하고자 하는 이온의 농도가 변화하였을 때, 해당농도에 맞는 전위를 나타내기까지 걸리는 시간을 의미한다.
NH4 + 및 NO3 - 이온 선택성 미소전극을 사용하여 본 전위 측정 장치로 전위신호를 측정할 경우 소요되는 응답시간을 도5에 나타내었다.
본 전위 측정 장치를 사용한 경우에 NH4 + 및 NO3 - 이온 선택성 미소전극의 응답시간은 각각 25초, 20초 이하로 나타났다.
따라서 본 전위 측정 장치는 10 ㎐의 저역통과필터 사용에 따른 응답시간의 지체현상이 나타나지 않았으며, 농도 변화에 따른 전극의 출력신호를 신속하게 측정할 수 있는 것으로 나타났다.
이상에서와 같이 본 발명에 따른 이온 선택성 미소전극의 전위 측정장치는 의학, 자연과학, 환경공학 분야 등에서 널리 사용되는 이온 선택성 미소전극의 출력 신호를 신속하고 정확하게 측정할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것이며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (1)

  1. 한 개의 비교 전극과, 대비되는 다른 이온 선택성 미소전극을 사용하여 각각의 이온 선택성 미소전극에서 발생되는 전위 신호를 동시에 측정하는 멀티 플렉스;
    30 내지 500 메가옴(MΩ)의 높은 전기저항을 가지는 상기 이온 선택성 미소전극으로부터 발생되는 매우 낮은 전기신호를 손실 없이 받아들여 이를 증폭시키는 제1차 증폭부;
    상기 1차 증폭부의 출력신호를 2차 증폭부의 입력신호로 하여 반전 증폭을 실시하는 제2차 증폭부;
    상기 제1차 증폭부 및 제2차 증폭부에서 발생된 증폭된 신호의 노이즈를 제거하여 원하는 신호만을 걸러내는 저역통과필터;
    상기 저역통과필터를 통과한 아날로그 형태의 신호를 디지털로 변화하여 이를 전송하는 에이디(A/D) 컨버터; 및
    상기 제1차 증폭부 및 제2차 증폭부 사이, 그리고 상기 제2차 증폭부와 저역통과필터 사이에 구성되며, 소스와 부하간의 절연을 수행함으로써 로딩효과를 제거하는 전압 플로워;를 구비하는 것을 특징으로 하는 이온 선택성 미소전극의 전위 측정 장치.
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