KR101148308B1

KR101148308B1 - 미생물 검침 장치

Info

Publication number: KR101148308B1
Application number: KR1020070122517A
Authority: KR
Inventors: 정효일; 이승재
Original assignee: 연세대학교 산학협력단
Priority date: 2007-11-29
Filing date: 2007-11-29
Publication date: 2012-05-25
Also published as: KR20090055734A

Abstract

미생물 검침 장치가 개시된다. 본 발명의 미생물 검침 장치는 시료에 포함되어 있는 잔여 ATP를 제거하고 상기 시료에 포함되어 있는 미생물의 ATP만을 추출하여 그 양을 측정함으로써 미생물 함유량의 정확한 수치와 신뢰성을 보장한다.

본 발명은 시료 중 미생물의 ATP만을 추출하여 미생물을 검출하는 미생물 검침 장치에 있어서, 상기 미생물을 포함하는 시료를 주입하는 시료 주입구, 상기 시료에 포함되어 있는 ATP를 파괴하는 ATP아제(ase)를 주입하는 ATP 아제 주입구, 및 상기 ATP아제에 의해 ATP가 제거된 상기 시료에 포함되는 미생물의 세포막을 파괴하여 상기 미생물의 ATP를 추출해내는 용해 버퍼(lysis buffer) 용액을 주입하는 용해 용액 주입구를 포함하는 미생물 검침 장치를 제공한다.

ATP, 미생물, ATP아제, 형광, 포토다이오드

Description

미생물 검침 장치{MICROORGANISM METER APPARATUS}

본 발명은 미생물 검침 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 시료에 포함되어 있는 잔여 ATP를 제거하고 상기 시료에 포함되어 있는 미생물의 ATP만을 추출하여 그 양을 측정함으로써 미생물 함유량의 정확한 수치와 신뢰성을 보장하는 미생물 검침 장치에 관한 것이다.

음식물 또는 어떠한 제품에 있어서 식중독균 또는 병원균 등 미생물의 함유량을 파악하는 문제는 매우 중요한 사항이다. 한편, 학교 및 공공기관 급식의 일반화, 페스트 푸드점과 프랜차이즈 음식업체 등과 같은 요식업체의 대형화, 그리고 이에 따른 대량의 음식물 쓰레기 발생으로 인해 현대인들은 식중독 및 각종 음식물 유래 병원성 미생물의 감염에 노출되어 있다.

이러한 위험성 때문에 많은 시민들은 식품의 청결 및 안전성에 대한 관심이 나날이 높아가고 있는 실정이다. 하지만, 아직까지 식품의 미생물 오염 정도를 실시간으로 측정하고 경고를 해줄 수 있는 장치의 개발은 미흡한 실정이다.

현재 가장 일반적으로 사용되는 미생물 검침 기법들 중에 하나는 미생물의 대사산물인 ATP를 광학을 이용하여 간접적으로 측정하는 것으로 일본, 미국 등이 개발 판매하고 있다.

이러한 기술을 이용하고 있는 제품 중, 일본 키코망(KIKKOMAN) 사의 루미테스터(Lumitester)라는 제품은 병원균이 가지고 있는 ATP이 루시퍼린(Luciferin)과 반응할 때 형광을 방출하는 특성을 이용한 것으로, 병원균의 ATP에 루시퍼린을 반응시켜 발생하는 형광세기를 측정하여 측정되는 빛의 세기를 전기적 신호로 변환시켜 이를 측정함으로써 병원균의 양을 파악해내는 장치이다. 이 제품은 실시간 측정이 가능하고 휴대성이 좋으며, 전처리 과정이 간단하다는 장점이 있으나, 가격이 너무 비싸 상용화가 어렵다는 문제가 있다.

또한, 일본 아토(ATTO) 사는 상기 키코망(KIKKOMAN) 사의 루미테스터와 같은 종류의 제품을 개발하였는데, 그 역시 미생물의 ATP와 루시퍼린의 반응을 이용하여 빛의 세기를 측정함으로써 미생물의 양을 측정해내는 원리이다. 그러나, 이는 장치의 측정 시스템이 확립되지 않아 원하는 병원균을 감지하기 위해서는 전처리 과정이 필수적이라는 단점이 있다. 따라서, 미생물 검침을 위해서는 시료 채취 후 실험실로 가져가서 전처리 과정을 거친 후 검침을 해야하기 때문에, 장치를 휴대하여 언제 어디서나 미생물 검침을 실시하기가 어렵고, 시료 이동시 오염의 가능성에 의해 신뢰성 있는 분석이 어려울 뿐만 아니라, 전처리 과정의 복잡함으로 인해 작동이 어렵다는 문제가 있다.

한편, 미국의 퍼킨엘머(Perkin Elmer) 사에서 개발한 ATP리트(ATPlite) 또한 미생물의 검침 원리는 위에서 소개한 두 장치와 실질적으로 동일하나, 이 장치 역시 전처리 과정이 매우 복잡하고, 병원균의 분석을 위해서는 수시간이 필요하여 실 시간 측정이 어렵기 때문에 현장에서의 실시간 검침이 어렵다는 문제가 있다.

또한, 상기 기기들은 식품 유래 미생물의 ATP뿐만 아니라, 식품 자체내에서 생성된 ATP의 양을 동시에 측정하기 때문에 순수 미생물의 양을 측정하는 데에는 그 정확도 및 신뢰성이 떨어지는 문제가 있다.

따라서, 시료의 전처리 과정이 필요 없고, 그 측정 시간을 단축시킬 수 있으며, 정확도와 신뢰성 또한 달성할 수 있는 미생물 검침 장치에 대한 개발이 필요하다.

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 시료 내에 포함되어 있는 미생물의 ATP만을 추출하고 이를 이용하여 미생물의 양을 산출해냄으로써 시료 내 미생물의 양을 정확히 측정할 수 있는 미생물 검침 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 기기에 시료를 넣는 것만으로 미생물의 함유량 측정이 완료되기 때문에, 전처리 과정이 필요 없고 누구나 손쉽게 실시간으로 미생물의 양을 측정할 수 있는 미생물 검침 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 광학을 이용하여 ATP의 양을 측정하는 원리를 간단한 장치로 구현함으로써 그 측정 시간을 단축시킬 수 있는 미생물 검침 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 미생물의 ATP의 양에 따른 광신호를 포토다이오드를 이용하여 전기적 신호로 변환시키는 광검출부와, 상기 광검출부의 출력 신호에 포함되는 노이즈를 제거하는 필터부를 구비하여, 시료 내 미생물의 양을 간단한 장치로 보다 정확히 측정할 수 있는 미생물 검침 장치를 제공하는 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 시료 중 미생물의 ATP만을 추출하여 미생물을 검출하는 미생물 검침 장치에 있어서, 상기 미생물을 포함하는 시료를 주입하는 시료 주입구, 상기 시료에 포함되어 있는 ATP를 파괴하는 ATP아제(ase)를 주입하는 ATP 아제 주입구, 및 상기 ATP아제에 의해 ATP가 제거된 상기 시료에 포함되는 미생물의 세포막을 파괴하여 상기 미생물의 ATP를 추출해내는 용해 버퍼(lysis buffer) 용액을 주입하는 용해 용액 주입구를 포함하는 미생물 검침 장치를 제공한다.

상기 미생물 검침 장치는, 상기 미생물의 ATP와 반응하여 형광을 발생시키는 D-루시페린 루시페라아제(D-luciferin-luciferase) 용액을 주입하는 D-루시페린 루시페라아제 용액 주입구를 더 포함할 수 있다.

상기 미생물 검침 장치는, 상기 시료 주입구를 통해 주입된 상기 시료와 상기 ATP 아제 주입구를 통해 주입된 ATP 아제가 혼합되는 혼합부를 더 포함할 수 있다.

상기 미생물 검침 장치는, 상기 시료 주입구를 통해 주입된 상기 시료와 상기 ATP 아제 주입구를 통해 주입된 ATP 아제를 상기 혼합부로 밀어넣는 쉬스(sheath) 용액을 주입하는 쉬스 용액 주입구를 더 포함할 수 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 시료 중 미생물의 ATP만을 추출하며 미세유로(microfluidic)로 구성되는 ATP 추출부를 포함하는 미생물 검침 장치에 있어서, 상기 ATP 추출부는, 상기 미생물을 포함하는 시료를 상기 미세유로에 주입하는 시료 주입구, 상기 시료에 포함되어 있는 ATP를 파괴하는 ATP아제(ase)를 상기 미세유로에 주입하는 ATP 아제 주입구, 및 상기 시료 주입구 및 상기 ATP 아제 주입구와 일정거리 이격되어 형성되며, 상기 ATP아제에 의해 ATP가 제거된 상기 시료에 포함되는 미생물의 세포막을 파괴하여 상기 미생물의 ATP를 추출해내는 용해 버퍼(lysis buffer) 용액을 주입하는 용해 용액 주입구를 포함하는 미생물 검침 장치가 제공된다.

상기 ATP 추출부는, 상기 시료 주입구와 인접하여 형성되며 상기 미생물의 ATP와 반응하여 형광을 발생시키는 D-루시페린 루시페라아제 용액을 주입하는 D-루 시페린 루시페라아제 용액 주입구를 더 포함할 수 있다.

상기 ATP 추출부는, 상기 시료 주입구 및 상기 ATP 아제 주입구와 상기 용해 용액 주입구 사이에 형성되며, 상기 시료 주입구를 통해 주입된 상기 시료와 상기 ATP 아제 주입구를 통해 주입된 ATP 아제가 혼합되는 혼합부를 더 포함할 수 있다.

상기 ATP 추출부는, 상기 시료 주입구를 통해 주입된 상기 시료와 상기 ATP 아제 주입구를 통해 주입된 ATP 아제를 상기 혼합부로 밀어넣는 쉬스(sheath) 용액을 주입하는 쉬스 용액 주입구를 더 포함할 수 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 실시형태에 따르면, 시료 중 미생물의 ATP만을 추출한 후, 추출된 상기 ATP의 양을 산출하여 미생물을 양을 측정하는 미생물 검침 장치에 있어서, 상기 미생물을 포함하는 시료를 주입하는 시료 주입구, 상기 시료에 포함되어 있는 ATP를 파괴하는 ATP아제(ase)를 주입하는 ATP 아제 주입구, 상기 ATP아제에 의해 ATP가 제거된 상기 시료에 포함되는 미생물의 세포막을 파괴하여 상기 미생물의 ATP를 추출해내는 용해 버퍼(lysis buffer) 용액을 주입하는 용해 용액 주입구, 상기 미생물의 ATP와 반응하여 광신호를 발생시키는 D-루시페린 루시페라아제 용액을 주입하는 D-루시페린 루시페라아제 용액 주입구, 및 상기 광신호의 세기를 측정하여 상기 미생물의 ATP의 양을 산출하는 ATP측정부를 포함하는 미생물 검침 장치가 제공된다.

상기 ATP측정부는, 상기 광신호를 전기적 신호로 변환시키는 광검출부, 상기 광검출부의 출력 신호에 포함되는 노이즈를 제거하는 필터부, 상기 필터부의 출력 신호를 증폭하는 증폭부, 및 상기 증폭부의 출력 신호를 연산 처리하고 그 결과에 기초하여 상기 미생물의 ATP양을 산출하는 디지털 신호처리부를 포함할 수 있다.

상기 광검출부는 상기 광신호를 전기적 신호로 변환시키는 포토다이오드를 포함하고, 상기 포토다이오드는 BS520 포토다이오드일 수 있다.

상기 필터부는 저주파 통과 필터일 수 있다.

상기 디지털 신호처리부는 상기 증폭부의 출력 신호를 일정 시간 이전의 출력 신호와 비교하여 상기 미생물의 ATP양을 산출할 수 있다.

본 발명에 따르면, 미생물 검침 장치에 있어서 시료 내에 포함되어 있는 미생물의 ATP만을 추출하고 이를 이용하여 미생물의 양을 산출해냄으로써 시료 내 미생물의 양을 정확하고 신뢰성 있게 측정할 수 있다.

또한, 미생물 검침 장치에 시료를 넣는 것만으로 미생물의 함유량 측정이 완료되기 때문에, 전처리 과정이 필요 없게 되고 누구나 손쉽게 실시간으로 미생물의 양을 측정할 수 있다.

또한, 광학을 이용하여 ATP의 양을 측정하는 원리를 간단한 장치로 구현함으로써 그 측정 시간을 단축시킬 수 있다.
또한, 본 발명은, 미생물의 ATP의 양에 따른 광신호를 포토다이오드를 이용하여 전기적 신호로 변환시키는 광검출부와, 상기 광검출부의 출력 신호에 포함되는 노이즈를 제거하는 필터부를 구비하여, 시료 내 미생물의 양을 간단한 장치로 보다 정확히 측정할 수 있다.

이하, 첨부되는 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태들을 상세하게 설명하도록 한다.

장치의 전체적 구성

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 미생물 검침 장치의 전체 구성을 나타 내는 사시도이다.

도 1에 도시되는 바와 같이, 본 발명의 미생물 검침 장치는, ATP 추출부(100), ATP 측정부(300), 및 디스플레이부(500)를 포함한다.

모든 생명체는 에너지원으로서 ATP를 생성하고 소모하는데, 본 발명의 미생물 검침 장치는 이러한 미생물의 ATP를 측정함으로써 미생물의 함유량 또는 농도를 산출해내고자 하는 것이다.

미생물 검침 장치를 이용한 미생물 검침 시에는 병원균의 유무를 파악하고자 하거나 식중독균의 유무를 파악하고자 하는 등의 특정 목적이 있게 마련이다. ATP 측정을 이용하여 이러한 목적에 맞게 미생물을 정확하게 검침하기 위해서는 미생물의 ATP 만을 측정해야한다. 예를 들어, 어떠한 음식물에 기생하는 식중독균의 함유량을 알고 싶다면 그 음식물을 시료로서 채택해야 하는데, 식중독균이 포함되어 있는 음식물에는 식중독균의 ATP와 함께 음식물 자체에 의해 생성된 ATP가 포함되어 있을 수 있다. 이 경우, 식중독균의 ATP 만을 측정하여야 음식물에 포함되어 있는 정확한 식중독균의 함유량을 알 수 있게 된다.

이를 위해, ATP 추출부(100)는 미생물의 함유량을 산출하기 위해 투입되는 시료에 있어서, 순수 미생물에 의한 ATP만을 추출해주는 기능을 한다. 상기 예를 다시 들면, 음식물을 시료로 투입하는 경우, 음식물 자체에 의해 생성된 ATP를 파괴함으로써 순수 미생물, 즉, 식중독균의 ATP만을 추출해내어 목적에 맞는 정확한 ATP 측정을 가능하게 한다. ATP 추출부(100)에 의한 미생물의 ATP 추출 원리는 후에 상세하게 설명하도록 한다.

ATP 측정부(300)는 ATP 추출부(100)에 의해 추출된 미생물의 ATP와 소정 화학 용액(이에 대해서는 후술함)이 반응하여 발생시키는 형광의 세기를 측정함으로써 시료에 포함되어 있는 미생물의 함유량을 산출해낸다. ATP 측정부(300)의 동작원리 또한 후에 상세하게 설명한다.

디스플레이부(500)는 ATP 측정부(300)에 의해 측정된 형광의 세기, 이를 통해 산출된 미생물의 함유량 등을 여러가지 방식으로 표시한다. 또한, 미생물의 농도 또는 함유량과 상기 형광의 세기, 또는 상기 형광의 세기가 변환된 전압의 크기 등의 관계를 표시할 수도 있다.

이하, 미생물 검침 장치의 세부 구성 및 동작 원리에 대해 상세하게 설명하도록 한다.

ATP 추출부의 세부 구성 및 동작 원리

도 2는 도 1의 미생물 검침 장치에서 ATP 추출부(100)의 구성을 모식적으로 나타내는 사시도이다.

도 2에 도시되는 바와 같이, ATP 추출부(100)는 미세유로(microfluidic) 시스템으로 구성되어 있으며, 쉬스(sheath) 용액 주입구(111), 시료 주입구(113), ATP아제(ase) 주입구(115), 제1혼합부(131), 용해(lysis) 용액 주입구(150), D-루시페린 루시페라아제(D-luciferin-luciferase) 용액 주입구(170), 제2혼합부(133), 배출구(190)를 포함한다.

시료 주입구(113)에는 함유량을 측정하고자 하는 미생물이 포함되어 있는 시료가 주입된다. 시료 주입구(113)에 주입되는 시료에는 순수 미생물과 함께 시료에 서 생성된 ATP 또는 장치에 묻어있는 ATP 등이 포함되어 있을 수 있다.

ATP 아제 주입구(115)에는 ATP 아제 용액이 주입된다. ATP 아제는 ATP를 가수분해하여 ADP와 인산을 만드는 반응 촉매효소이다. 즉, ATP를 파괴시키는 물질이다.

시료 주입구(113)로부터 주입된 시료와 ATP 아제 주입구(115)로부터 주입된 ATP 아제는 제1혼합부(131)에서 혼합된다. 이 때, 시료에 포함되어 있는 ATP, 즉, 시료 자체에서 생성된 ATP 또는 장치에 묻어있는 ATP 등 순수 미생물과 관련 없는 ATP는 모두 ATP 아제 용액에 의해 파괴되어 시료에 포함되어 있는 순수 미생물만이 남게 된다. 미생물의 ATP는 아직 추출된 상태가 아니므로, ATP 아제에 의해 파괴되지 않는 것이다.

이 때, 시료 주입구(113)로 주입되는 시료 및 ATP 아제 주입구(115)로 주입되는 ATP 아제 용액이 제1혼합부(131)로 잘 밀어넣어져 정확한 혼합이 일어날 수 있도록 하기 위한 쉬스 용액이 쉬스 용액 주입구(111)를 통해 주입될 수 있다. 도2에서와 같이, 쉬스 용액 주입구(111)는 제1혼합부(131)와 연결되며, ATP 아제 주입구(115)는 쉬스 용액 주입구(111)와 수직을 이루게 위치되며, 시료 주입구(113)는 쉬스 용액 주입구(111)와 ATP 아제 주입구(115)의 중간에 위치된다.

제1혼합부(131)에서 ATP 아제에 의해 시료에 잔류하는 ATP가 모두 파괴되기 때문에, 제1혼합부(131)의 말단에는 순수 미생물만을 포함하는 시료가 배출된다. 이렇게 얻어진 미생물의 ATP를 추출해내기 위해 용해 용액 주입구(150)를 통해 용해 버퍼(lisys buffer) 용액이 주입된다. 제1혼합부(131)의 말단으로부터 미세유로를 따라 흐르는 시료는 용해 용액 주입구(150)를 통해 주입된 용해 버퍼 용액과 혼합된다. 이 때, 용해 버퍼 용액이 세포막을 파괴시키는 특성을 갖고 있기 때문에 상기 시료에 포함되는 순수 미생물의 세포막이 파괴되면서 미생물 고유의 세포 내 ATP가 추출되게 된다. 제1혼합부(131) 및 제2혼합부(133)는 도 2에서와 같이, 정현파 형태의 유로를 구비하며, 제1혼합부(131)의 출력부분이 제2혼합부(133)의 입력부분에 직선적으로 연결되도록 이루어져 있다.

이렇게 추출된 ATP는 순수 미생물에 의한 ATP이며, 전술한 바와 같이, ATP와 소정 화학 물질이 반응하여 발생시키는 형광의 세기를 측정함으로써 상기 ATP의 양을 알아내기 위해, ATP와 반응하여 형광을 발생시키는 물질을 주입시켜줘야 한다.

이를 위해 D-루시페린 루시페라아제 용액 주입구(170)를 통해 D-루시페린 루시페라아제 용액을 주입시킨다. D-루시페린 루시페라아제 용액은 ATP와 반응하여 약 560 nm 의 파장을 갖는 형광을 내는 특성이 있으며, 이러한 형광의 세기를 측정함으로써 ATP의 양을 파악하여 미생물의 함유량을 산출할 수 있는 것이다.

용해 용액 주입구(150)를 통해 주입된 용해 버퍼 용액에 의해 얻어진 순수 ATP와 D-루시페린 루시페라아제 용액 주입구(170)를 통해 주입된 D-루시페린 루시페라아제 용액은 제2혼합부(133)에서 완전히 혼합되게 되며, 이에 따라 형광의 세기 측정을 통한 ATP 측정의 정확성이 향상되게 된다. 도 2에서와 같이, D-루시페린 루시페라아제 용액 주입구(170)는 제1혼합부(131)의 출력부분과 제2혼합부(133)의 입력부분의 사이에 수직으로 위치되며, 제1혼합부(131)의 출력부분과 D-루시페린 루시페라아제 용액 주입구(170)의 사이에 용해 용액 주입구(150)가 위치되며, 제2혼합부(133)의 출력부분에 ATP 측정부(300)가 위치되며, ATP 측정부(300)의 다음에는 배출구(190)가 위치된다.

순수 ATP와 D-루시페린 루시페라아제 용액은 혼합된 상태로 ATP 측정부(300)를 지나게 된다. ATP 측정부(300)는 포토다이오드를 통해 ATP와 D-루시페린 루시페라아제 용액이 반응하여 발생시키는 형광의 세기를 측정함으로써 ATP의 양을 산출해내고, 이를 통해 시료 내 미생물의 함유량을 파악해낸다. 이에 대해서는 후에 상세하게 설명하도록 한다.

한편, ATP 측정부(300)를 통과한 용액들 및 미세유로 내에 남겨진 용액들은 모두 배출구(190)를 통해 배출된다.

본 발명의 미생물 검침 장치는 이처럼 전처리 과정 없이 시료를 ATP 추출부(100)에 주입시키는 것만으로 미생물의 ATP를 추출해내고 이를 통해 미생물의 함유량을 파악해냄으로써 그 분석이 간편하며, 분석 시간 또한 절약할 수 있다.

또한, ATP 추출부(100)를 통해 미생물의 ATP만을 추출해냄으로써 잔류 ATP 등 다른 요인에 의한 ATP 측정값 오차를 최소화하여 정확한 미생물의 함유량 측정을 가능하게 한다.

이하, ATP 측정부(300)의 세부 구성 및 그 동작 원리에 대해 설명하도록 한다.

ATP 측정부의 세부 구성 및 동작 원리

도 3은 도 1의 미생물 검침 장치에서 ATP 측정부(300)의 구성을 나타낸다. 먼저, 도 3a는 ATP 측정부(300)의 전체 구성을 나타내는 블록도이다.

도 3에 도시되는 바와 같이, ATP 측정부(300)는 아날로그 측정부(310) 및 디지털 신호처리부(330)를 포함할 수 있다.

전술한 바와 같이, 미생물의 ATP와 D-루시페린 루시페라아제 용액이 반응하면 약 560nm 파장 대역을 가지는 형광이 방출되게 되는데, ATP 측정부(300)는 상기 형광의 세기를 측정하여 이를 통해 ATP의 양과 미생물의 함유량을 파악하는 것이다.

아날로그 측정부(310)는 상기 형광의 세기를 측정하여 이를 전기적인 특성으로 변화시키는 부분이며, 디지털 신호처리부(330)는 상기 전기적인 특성을 디지털화하여 분석하고 이를 통해 ATP의 양 및 미생물의 함유량을 산출해내는 부분이다.

도 3b는 아날로그 측정부(310)의 세부 구성을 나타내는 회로도이다. 도 3b에 도시되는 각 회로 소자는 도 1의 미생물 검침 장치 내에 내장되어 있을 수 있다.

도 3b에 도시되는 바와 같이, 아날로그 측정부(310)는 전압 조정부(311), 광검출부(313), 필터부(315), 증폭부(317)를 포함할 수 있다.

전압 조정부(311)는 광검출부(313)로 입력되는 입력 전압을 제어하는 부분이다. 광검출부(313)에 포함되는 포토다이오드(photodiode)는 입력 전압 값보다 약 1 내지 2V 높은 값을 출력하게 되고, 이러한 출력 값은 증폭부(317)에 입력되어 증폭되게 된다. 이 때 증폭부(317)의 입력 전압이 아날로그 측정부(310)의 입력 전원 값보다 커지게 되면 증폭부(317)의 출력값이 포화되어 정확한 전기적 특성에 대한 측정이 불가능해질 수 있다. 전압 조정부(311)는 이러한 점을 고려하여 광검출부(313)로 입력되는 입력 전압 값을 적절하게 조절한다.

광검출부(313)는 ATP와 D-루시페린 루시페라아제 용액이 반응하여 방출하는 약 560 nm 파장 대역을 가지는 형광을 검출하여 이를 전기적 신호로 변화시킨다. 광검출부(313)는 포토다이오드(313-1), 저항(313-3), 및 버퍼부(313-5)를 포함한다. 포토다이오드(313-1)는 상용화된 BS520 포토다이오드(313-1)를 사용할 수 있다. BS520 포토다이오드(313-1)의 파장-민감도 관계는 도 4a에 도시되어 있다.

도 4a에 도시되는 바와 같이, BS520 포토다이오드(313-1)는 약 560nm 의 파장 대역을 가지는 푸른 빛에 가장 민감하며 출력이 최적화되어 있어, 광검출부(313)의 포토다이오드로서 적합하다.

한편, BS520 포토다이오드(313-1)의 조명도-전류와의 관계는 도 4b의 그래프와 같은데, 도 4b에 도시되는 바와 같이, 조명도가 커지더라도 BS520 포토다이오 드(313-1)에서 출력되는 전류 값은 ㎂대역에 위치해 있다. 따라서, 추후 전기적 특성의 분석에 충분한 전압 값을 내기 위해 저항(313-3)이 더 포함될 수 있다. 저항(313-3)으로서는 약 1㏁ 정도의 저항값을 가지는 소자를 사용하여 전압 값을 수 V 대역으론 충분히 높여주는 것이 바람직하다.

포토다이오드(313-1)에 의한 광 검출 및 전기적 신호로의 변환은 공지 기술이므로 이에 대해서는 설명을 생략하기로 한다.

한편, 포토다이오드(313-1)를 포함하는 광검출부(313)는 미생물의 ATP와 D-루시페린 루시페라아제 용액이 반응하여 발생시키는 형광의 세기를 측정하기 위해 ATP추출부(100)의 제2혼합부(133) 말단에 형성될 수 있다.

버퍼(313-5)는 필터부(315)에서 간섭이 일어나는 것을 방지하기 위한 구성요소이다.

필터부(315)는 광검출부(313)에서의 출력 신호에서 노이즈를 제거해준다. 광검출부(313)의 출력 신호는 DC 성분이 주가 되는 특성을 가지는 저주파 대역의 신호이므로, 필터부(315)는 저주파 통과 필터로 구현하는 것이 바람직하다. 일례로서 필터부(315)는 차단 주파수를 10Hz로 하며 통과 대역에서 매우 평탄한 진폭을 가지는 2차 버터워스(butterworth) 필터로 구현할 수 있다. 버터워스 필터는 10Hz 대역에서 가장 평탄한 통과 특성을 지니므로 이를 이용하면, 60Hz의 전원선 노이즈와 전자파 및 형광등 등에서 나오는 고주파 노이즈를 효율적으로 제거할 수 있다.

광검출부(313) 및 필터부(315)를 거친 출력 전압 값은 도 5의 그래프와 같다. 도 5에 도시되는 바와 같이, 상기 전압 값은 0.02~0.08V에 걸쳐 있고, 그 변화 의 폭이 0.1V가 되지 않는다. 이러한 작은 전압 값을 신호처리하기 위해서는 높은 분해능을 가지는 마이크로프로세서가 필요하며, 이러한 마이크로프로세서를 사용하게 되면 전체 장치의 가격 인상을 초래하며 전력 소모에 악영향을 끼칠 수 있다. 이를 방지하기 위해, 증폭부(317)는 광검출부(313) 및 필터부(315)를 거친 출력 전압 값을 증폭시켜 그 분석을 용이하게 함으로써 낮은 분해능을 가지는 프로세서를 이용하더라도 정확한 분석을 가능하게 한다. 증폭부(317)의 증폭이득은 약 28배 정도로 하는 것이 적당하며, 이 정도의 증폭이득을 가지는 증폭부(317)를 이용하면 상기 0.02~0.08V에 걸쳐있던 전압 값을 1~3V로 증폭시켜 그 분석을 용이하게 할 수 있다.

디지털 신호처리부(330)는 아날로그 측정부(310)에서 얻어진 전기적 특성 신호를 분석하여 ATP의 양을 산출해낸다. 디지털 신호처리부(330)에 의한 신호 처리 과정은 도 6에 도시된 바와 같다.

먼저, 도 5에 도시되는 것과 유사한 아날로그 측정부(310)의 출력 신호를 이동 평균 필터에 통과시켜 부드럽게 만든다(S610). 그 후, 이동 평균 필터를 통과한 신호를 제곱하여 노이즈는 상대적으로 작은 값으로 만들고, ATP측정에 필요한 DC 신호를 비롯한 원신호는 상대적으로 큰 값으로 만든다(S630). 다음으로, 1분 간의 데이터를 저장한 후(S650), 그 평균값을 구하고(S670), 이를 1분 전 신호의 평균값과 비교함으로써(S680), ATP양과 이에 따른 미생물의 양을 측정해낸다(S690).

1분 전에는 미생물 검침 장치에 미생물을 포함하는 시료가 주입되어 있지 않은 상태이기 때문에, 1분 전의 값과 비교함으로써 ATP의 양 및 미생물의 양을 측정 해낼 수 있는 것이다.

일반적으로, 광검출부(313)에 의해 검출되는 형광의 세기는 미생물의 농도와 비례하고, 이에 따라 전기적으로 변환된 값은 형광의 세기와 비례한다. 따라서, 미생물의 ATP와 D-루시페린 루시페라아제 용액이 반응하여 방출하는 형광의 세기를 전압값으로 변환시켜 이를 분석해냄으로써 미생물의 양을 산출해낼 수 있는 것이다.

한편, 본 발명의 미생물 검침 장치는 데이터베이스(미도시)를 추가적으로 더 포함할 수 있고, 데이터베이스에는 농도가 파악된 미생물을 가지고 실험한 결과, 즉, 미생물의 농도 대비 전압 값에 관한 정보가 저장되어 있을 수 있다. 그 정보는 미생물의 종류에 따라 별도로 저장되어 있을 수도 있다. 디지털 신호처리부(330)는 상기 데이터베이스의 정보를 참조하여 측정된 전압 값에 따른 미생물의 농도를 파악해낼 수 있다.

이렇게 산출된 ATP양 및 미생물의 양은 디스플레이부(500)에 여러가지 방식으로 표시될 수 있다.

이상 본 발명의 구체적 실시형태와 관련하여 본 발명을 설명하였으나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 설명된 실시형태를 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변형도 본 발명의 범위에 속한다. 또한, 본 명세서에서 설명한 각 구성요소는 당업자가 공지된 다양한 구성요소로부터 용이하게 선택하여 대체할 수 있다. 예를 들어, 본 명세서에서 설명한 각 구성요소의 재질은 이와 유사한 특성을 가지는 다른 재질 등으로 대체될 수도 있으며 각 구성요소의 사양 또한 동일성의 범위를 넘지 않는 선에서 변형가능하다.

따라서, 본 발명의 범위는 설명된 실시형태가 아니라 특허청구범위 및 그 균등물에 의해 결정되어야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 미생물 검침 장치의 전체 구성을 나타내는 사시도이다.

도 2는 도 1의 미생물 검침 장치에서 ATP 추출부의 구성을 모식적으로 나타내는 사시도이다.

도 3a는 도 1의 미생물 검침 장치에서 ATP 측정부의 전체 구성을 나타내는 블록도이다.

도 3b는 도 3a의 아날로그 측정부의 세부 구성을 나타내는 회로도이다.

도 4a는 도 3b의 광검출부에 포함될 수 있는 S520 포토다이오드의 파장-민감도 관계를 나타내는 그래프이다.

도 4b는 도 3b의 광검출부에 포함될 수 있는 S520 포토다이오드의 조명도-전류와의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 5는 도 3b의 광검출부 및 필터부를 거친 출력 전압 값을 나타내는 그래프이다.

도 6은 도 3a의 디지털 신호처리부에 의한 신호 처리 과정을 설명하는 흐름도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100: ATP추출부 300: ATP측정부

111: 쉬스(sheath) 용액 주입구 113: 시료 주입구

115: ATP아제(ase) 주입구 131: 제1혼합부

150: 용해(lysis) 용액 주입구

170: D-루시페린 루시페라아제(D-luciferin-luciferase) 용액 주입구

190: 배출구

310: 아날로그 측정부 330: 디지털 신호처리부

311: 전압조정부 313: 광검출부

315: 필터부 317: 증폭부

Claims

미생물을 포함하는 시료를 주입하는 시료 주입구;

상기 시료에 포함되어 있는 ATP를 파괴하는 ATP아제(ase)를 주입하는 ATP 아제 주입구;

상기 ATP아제에 의해 ATP가 제거된 상기 시료에 포함되는 미생물의 세포막을 파괴하여 미생물의 ATP를 추출해내는 용해 버퍼(lysis buffer) 용액을 주입하는 용해 용액 주입구;

상기 시료 주입구를 통해 주입된 상기 시료와 상기 ATP 아제 주입구를 통해 주입된 ATP 아제를 혼합되게 하는 제1혼합부를 포함하며, 시료 중 미생물의 ATP만을 추출하여 미생물을 검출하는 미생물 검침 장치에 있어서,

광신호의 세기를 측정하여, 미생물의 ATP의 양을 산출하는 ATP측정부를 더 포함하되, 상기 ATP측정부는,

포토다이오드를 구비하여, 광신호를 전기적 신호로 변환시키는 광검출부;

상기 광검출부의 출력 신호에 포함되는 노이즈를 제거하는 필터부;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 미생물 검침 장치.
제1항에 있어서,

상기 제1혼합부에서 배출된, ATP아제에 의해 ATP가 제거된 시료에 포함된 미생물의 세포막을 파괴하여 미생물의 ATP를 추출해내는 용해 버퍼(lysis buffer) 용액을 주입하는 용해 용액 주입구;

미생물의 ATP와 반응하여 형광을 발생시키는 D-루시페린 루시페라아제(D-luciferin-luciferase) 용액을 주입하는 D-루시페린 루시페라아제 용액 주입구;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미생물 검침 장치.
제2항에 있어서,

상기 용해 용액 주입구를 통해 주입된 용해 버퍼 용액에 의해 추출된 미생물의 ATP와, 상기 D-루시페린 루시페라아제 용액 주입구를 통해 주입된 D-루시페린 루시페라아제 용액이 혼합되는 제2혼합부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미생물 검침 장치.
제1항에 있어서,

상기 시료 주입구를 통해 주입된 상기 시료와 상기 ATP 아제 주입구를 통해 주입된 ATP 아제를 상기 제1혼합부로 밀어넣는 쉬스(sheath) 용액을 주입하는 쉬스 용액 주입구를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미생물 검침 장치.
시료 중 미생물의 ATP만을 추출하며 미세유로(microfluidic)로 구성되는 ATP 추출부를 포함하는 미생물 검침 장치에 있어서,

상기 ATP 추출부는,

상기 미생물을 포함하는 시료를 상기 미세유로에 주입하는 시료 주입구;

상기 시료에 포함되어 있는 ATP를 파괴하는 ATP아제(ase)를 상기 미세유로에 주입하는 ATP 아제 주입구;

상기 시료 주입구를 통해 주입된 상기 시료와 상기 ATP 아제 주입구를 통해 주입된 ATP 아제를 혼합되게 하는 제1혼합부;

상기 시료 주입구 및 상기 ATP 아제 주입구와 일정거리 이격되어 형성되되, 상기 제1혼합부의 다음에 위치되며, 상기 ATP아제에 의해 ATP가 제거된 상기 시료에 포함되는 미생물의 세포막을 파괴하여 상기 미생물의 ATP를 추출해내는 용해 버퍼(lysis buffer) 용액을 주입하는 용해 용액 주입구;

상기 용해 용액 주입구와 인접되게 형성되며, 상기 미생물의 ATP와 반응하여 형광을 발생시키는 D-루시페린 루시페라아제(D-luciferin-luciferase) 용액을 주입하는 D-루시페린 루시페라아제 용액 주입구;

포토다이오드를 구비하여 미생물의 ATP의 양에 따른 광신호를 전기적 신호로 변환시키는 광검출부를 포함하는 ATP측정부;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 미생물 검침 장치.
제5항에 있어서,

상기 ATP측정부는,

상기 광검출부의 출력 신호에 포함되는 노이즈를 제거하는 필터부;

상기 필터부의 출력 신호를 증폭하는 증폭부;

상기 증폭부의 출력 신호를 연산 처리하고 그 결과에 기초하여 상기 미생물의 ATP양을 산출하는 디지털 신호처리부;

를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미생물 검침 장치.
제6항에 있어서,

상기 제1혼합부의 다음에 위치되되, 상기 용해 용액 주입구를 통해 주입된 용해 버퍼 용액에 의해 추출된 미생물의 ATP와, 상기 D-루시페린 루시페라아제 용액 주입구를 통해 주입된 D-루시페린 루시페라아제 용액이 혼합되는 제2혼합부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미생물 검침 장치.
제7항에 있어서,

상기 ATP추출부는,

상기 시료 주입구를 통해 주입된 상기 시료와 상기 ATP 아제 주입구를 통해 주입된 ATP 아제를 상기 혼합부로 밀어넣는 쉬스(sheath) 용액을 주입하는 쉬스 용액 주입구를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미생물 검침 장치.
시료 중 미생물의 ATP만을 추출한 후, 추출된 상기 ATP의 양을 산출하여 미생물을 양을 측정하는 미생물 검침 장치에 있어서,

상기 미생물을 포함하는 시료를 주입하는 시료 주입구;

상기 시료에 포함되어 있는 ATP를 파괴하는 ATP아제(ase)를 주입하는 ATP 아제 주입구;

상기 시료 주입구를 통해 주입된 상기 시료와 상기 ATP 아제 주입구를 통해 주입된 ATP 아제를 혼합되게 하는 제1혼합부;

상기 시료 주입구를 통해 주입된 상기 시료와 상기 ATP 아제 주입구를 통해 주입된 ATP 아제를 상기 제1혼합부로 밀어넣는 쉬스(sheath) 용액을 주입하는 쉬스 용액 주입구;

상기 제1혼합부에서 배출된, 상기 ATP아제에 의해 ATP가 제거된 시료에 포함되는 미생물의 세포막을 파괴하여 미생물의 ATP를 추출해내는 용해 버퍼(lysis buffer) 용액을 주입하는 용해 용액 주입구;

상기 미생물의 ATP와 반응하여 광신호를 발생시키는 D-루시페린 루시페라아제 용액을 주입하는 D-루시페린 루시페라아제 용액 주입구;

상기 용해 용액 주입구를 통해 주입된 용해 버퍼 용액에 의해 추출된 미생물의 ATP와, 상기 D-루시페린 루시페라아제 용액 주입구를 통해 주입된 D-루시페린 루시페라아제 용액이 혼합되는 제2혼합부;

포토다이오드를 구비하여 미생물의 ATP의 양에 따른 광신호를 전기적 신호로 변환시키는 광검출부;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 미생물 검침 장치.
제9항에 있어서,

상기 광검출부의 출력 신호에 포함되는 노이즈를 제거하는 필터부;

상기 필터부의 출력 신호를 증폭하는 증폭부; 및

상기 증폭부의 출력 신호를 연산 처리하고 그 결과에 기초하여 상기 미생물의 ATP양을 산출하는 디지털 신호처리부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미생물 검침 장치.
제10항에 있어서,

상기 광검출부는 상기 광신호를 전기적 신호로 변환시키는 포토다이오드를 포함하고,

상기 포토다이오드는 BS520 포토다이오드인 것을 특징으로 하는 미생물 검침 장치.
제10항에 있어서,

상기 필터부는 저주파 통과 필터인 것을 특징으로 하는 미생물 검침 장치.
제10항에 있어서,

상기 디지털 신호처리부는 상기 증폭부의 출력 신호를 일정 시간 이전의 출력 신호와 비교하여 상기 미생물의 ATP양을 산출하는 것을 특징으로 하는 미생물 검침 장치.