KR101355301B1 - 공기중 생물학적 입자를 검출하기 위한 검출 장치 및 검출 방법 - Google Patents
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Abstract
검출 장치(100A)에서, 유입구(10) 및 배출구(11)는 개방되고 공기 도입 기구(50)는 공기를 케이스(5)에 도입하도록 구동되고, 공기중 입자들은 포집 지그(12)에 전기적으로 유인되어 유지된다. 도입 후, 유입구 및 배출구는 폐쇄되고, 발광 소자(6)로부터 방출된 광이 조사됨으로 인해 수광 소자(9)에 의해 수광된 형광 양이 측정 유닛(40)에 의해 측정된다. 그 후, 상기 포집 지그는 히터(91)에 의해 가열되고 가열 후 형광 양이 측정 유닛에 의해 측정된다. 가열 전후의 형광 양의 변화량에 기초하여, 포집 지그에 의해 포집된 미생물의 양이 측정 유닛에서 계산된다.
Description
본 발명은 검출 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히, 공기중 생물학적 입자(airborne biological particles)를 검출하기 위한 검출 장치 및 방법에 관한 것이다.
통상적으로, 공기중 미생물(airborne microorganisms)을 검출하기 위해서는, 먼저, 다공판(perforated plate), 원심 충돌(centrifugal impaction), 임핀저(impinger) 또는 여과(filteration)를 이용한 침전(sedimentation), 충돌(impaction), 슬릿법(slit method)에 의해 공기중 미생물들이 포집되고, 그 다음에, 미생물들이 배양되어 나타난 콜로니들(colonies)의 개수가 카운트된다. 그러나, 이러한 방법에 의해서는, 배양을 위해 이삼일이 필요하고, 그래서, 실시간 단위의 검출이 어렵다. 따라서, 최근에, 공기중 미생물에 자외선을 조사하고 미생물로부터 방출된 광을 검출하여 개수를 측정하는 장치가, 예를 들어, 일본 특허 공개 제2003-38163호(특허 문헌 1) 및 일본 특표 제2008-508527호(특허 문헌 2)에서 제안되었다.
특허 문헌 1 및 특허 문헌 2에 제안된 바와 같은 통상적인 장치에서는, 부유 입자들이 생물학적 원천(biological origin)에 해당하는지를 판단하는 수단으로서, 자외선을 조사할 때 입자가 형광(fluorescence)을 방출하는지 여부를 판단하는 방법이 사용되어 왔다.
그러나, 실제로, 공기중에 부유된 먼지는 자외선을 조사할 때 형광을 방출하는 화학 섬유의 많은 린트(lint)를 포함한다. 그러므로, 특허 문헌 1 및 2에 제안된 바와 같은 통상적인 장치를 사용하면, 생물학적 원천의 공기중 입자들뿐 아니라 형광-방출 먼지(fluorescence-emitting dust)도 검출된다. 특히, 특허 문헌 1 및 2에 제안된 바와 같은 통상적인 장치는 공기중에 부유된 생물학적 입자들만의 정확한 평가가 불가능하다는 문제가 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 고려한 것이며, 그 목적은 형광을 이용하여 형광-방출 먼지로부터 분리된 생물학적 입자들만을 실시간으로 검출할 수 있는 검출 장치 및 검출 방법을 제공하는 것이다.
전술한 목적을 성취하기 위하여, 일 양태에 따르면, 본 발명은 생물학적 원천의 공기중 입자들을 검출하는 검출 장치를 제공하며, 검출 장치는 발광 소자; 형광을 수광하는 수광 소자; 및 상기 검출 장치에 도입된 공기에 발광 소자로부터 방출된 광이 조사될 때 수광 소자에 의해 수광되는 형광 양에 기초하여, 고정량의 공기중의 생물학적 원천의 입자들의 양을 계산하는 계산 유닛을 포함한다.
바람직하게, 계산 유닛은 입자들을 가열하기 전후에 수광된 광의 양의 변화에 기초하여, 도입된 공기중의 생물학적 원천의 입자들의 양을 계산한다.
더욱 바람직하게, 검출 장치는 도입된 공기를 가열하는 히터를 더 포함한다.
더욱 바람직하게, 검출 장치는 히터에 의한 가열 양을 제어하는 제어 유닛을 더 포함한다.
더욱 바람직하게, 검출 장치는 제어 유닛에 명령을 입력하는 입력 유닛을 더 포함한다.
바람직하게, 계산 유닛은 수광된 광의 양의 변화, 및 형광의 변화량과 사전에 저장된 생물학적 원천의 입자들의 양 사이의 관계에 기초하여, 도입된 공기중의 생물학적 원천의 입자들의 양을 계산한다.
바람직하게, 검출 장치는 포집 부재; 및 포집 부재에 의해 도입된 공기중의 입자들을 포집하는 포집 기구를 더 포함한다. 계산 유닛은 발광 소자로부터 방출된 광으로 조사된 포집 부재로부터의 수광된 형광 양에 기초하여, 포집 부재에 의해 포집된 생물학적 원천의 입자들의 양을 계산한다.
더욱 바람직하게, 발광 소자는 포집 부재를 향하는 방향으로 광이 방출되도록 배치된다.
더욱 바람직하게, 검출 장치는 포집 부재를 가열하는 히터를 더 포함하며, 계산 유닛은 포집 부재의 가열 전후에 수광된 광의 양의 변화에 기초하여, 포집 부재에 의해 포집된 생물학적 원천의 입자들의 양을 계산한다.
바람직하게, 검출 장치는, 포집 기구를 수용하는 포집 챔버; 포집 챔버와 분리되고 발광 소자 및 수광 소자를 수용하는 검출 챔버; 및 포집 챔버에 배치된 포집 부재를 검출 챔버로 이동시키고, 검출 챔버에 배치된 포집 부재를 포집 챔버로 이동시키는 이동 기구를 더 포함한다.
바람직하게, 검출 장치는 포집 부재를 세정하는 세정 유닛을 더 포함한다.
바람직하게, 검출 장치는 계산 유닛에 의한 계산 결과를 측정 결과로서 디스플레이하는 디스플레이 유닛을 더 포함한다.
바람직하게, 발광 소자는 생물 내 물질을 여기할 수 있는 파장 범위의 광을 방출한다. 더욱 바람직하게, 발광 소자는 300 nm 내지 450 nm의 파장 범위의 광을 방출한다.
다른 양태에 따르면, 본 발명은 포집 부재에 의해 포집된 생물학적 원천의 입자들을 검출하는 방법을 제공하며, 이 방법은 발광 소자로부터 방출된 광이 조사된, 가열 전의 포집 부재의 형광 양을 측정하는 단계; 발광 소자로부터 방출된 광으로 조사된 가열 후의 포집 부재의 형광 양을 측정하는 단계; 및 가열 전에 포집 부재로부터 측정된 형광 양과 가열 후에 포집 부재로부터 측정된 형광 양의 변화량에 기초하여, 포집 부재에 의해 포집된 생물학적 원천의 입자들의 양을 계산하는 단계를 포함한다.
본 발명에 의해, 형광-방출 먼지로부터 분리된 생물학적 입자들을 고정밀도로 실시간 단위로 검출하는 것이 가능해진다.
도 1은 실시 형태에 따른 검출 장치로서 예시적인 공기 청정기의 외관을 도시한다.
도 2a는 제1 실시 형태에 따른 검출 장치의 기본 구성을 도시한다.
도 2b는 실시 형태에 따른 검출 장치 내에서, 포집 지그 및 히터 주위의 구조의 특정한 예를 도시한다.
도 3a는 제1 실시 형태에 따른 검출 장치의 검출 기구를 예시한다.
도 3b는 제1 실시 형태에 따른 검출 장치의 검출 기구를 예시한다.
도 4a는 검출 기구 내 차광 기구의 다른 특정한 예로서 유입구에 제공된 기구를 예시한다.
도 4b는 검출 기구 내 차광 기구의 또 다른 특정한 예로서 배출구에 제공된 기구를 예시한다.
도 4c는 검출 기구 내 차광 기구의 또 다른 특정한 예로서 유입구 및 배출구에 제공된 기구들 각각에 포함된 차광판들 중 하나의 특정한 예를 도시한다.
도 4d는 검출 기구 내 차광 기구의 또 다른 특정한 예로서 유입구 및 배출구에 제공된 기구들 각각에 포함된 차광판들 중 하나의 다른 특정한 예를 도시한다.
도 5는 열처리 전후의 대장균(Escherichia coli)의 형광 스펙트럼의 시간 변화를 도시한다.
도 6a는 열처리 전의 대장균의 형광 현미경 사진이다.
도 6b는 열처리 후의 대장균의 형광 현미경 사진이다.
도 7은 열처리 전후의 바실러스 서브틸리스(Bacillius subtilis)의 형광 스펙트럼의 시간 변화를 도시한다.
도 8a는 열처리 전의 바실러스 서브틸리스의 형광 현미경 사진이다.
도 8b는 열처리 후의 바실러스 서브틸리스의 형광 현미경 사진이다.
도 9는 열처리 전후의 페니실리움(Penicillium)의 형광 스펙트럼의 시간 변화를 도시한다.
도 10a는 열처리 전의 페니실리움의 형광 현미경 사진이다.
도 10b는 열처리 후의 페니실리움의 형광 현미경 사진이다.
도 11a는 열처리 전의 삼나무 꽃가루(cedar pollen)의 형광 현미경 사진이다.
도 11b는 열처리 후의 삼나무 꽃가루의 형광 현미경 사진이다.
도 12a는 열처리 전의 형광-방출 먼지의 형광 스펙트럼의 시간 변화를 도시한다.
도 12b는 열처리 후의 형광-방출 먼지의 형광 스펙트럼의 시간 변화를 도시한다.
도 13a는 열처리 전의 형광-방출 먼지의 형광 현미경 사진이다.
도 13b는 열처리 후의 형광-방출 먼지의 형광 현미경 사진이다.
도 14는 열처리 전후의 형광-방출 먼지의 형광 스펙트럼의 비교 결과를 도시한다.
도 15는 제1 실시 형태에 따른 검출 장치의 예시적인 기능적 구성을 도시하는 블록도이다.
도 16은 제1 실시 형태에 따른 검출 장치의 동작 흐름을 도시하는 흐름도이다.
도 17은 형광 감쇠(decay)와 미생물 농도 간의 특수한 관계를 도시하는 그래프이다.
도 18a는 검출 결과의 예시적인 디스플레이를 도시한다.
도 18b는 검출 결과를 디스플레이하는 방법을 도시한다.
도 19는 제2 실시 형태에 따른 검출 장치의 기본 구조를 도시한다.
도 20은 제2 실시 형태에 따른 검출 장치의 포집 유닛의 동작과 관련하여 예시한다.
도 21은 제2 실시 형태에 따른 검출 장치의 동작 흐름을 도시하는 타임차트이다.
도 22는 본 발명자들에 의해 측정에 사용된 도구의 구성을 개략적으로 도시한다.
도 23은 실시예 1에 있어서의 측정 결과를 도시한다.
도 24는 실시예 2에 있어서의 측정 결과를 도시한다.
도 25는 페니실리움의 열처리 온도와 열처리 전후에 페니실리움으로부터 제공된 형광 강도(intensity)의 비율 간의 관계를 도시한다.
도 2a는 제1 실시 형태에 따른 검출 장치의 기본 구성을 도시한다.
도 2b는 실시 형태에 따른 검출 장치 내에서, 포집 지그 및 히터 주위의 구조의 특정한 예를 도시한다.
도 3a는 제1 실시 형태에 따른 검출 장치의 검출 기구를 예시한다.
도 3b는 제1 실시 형태에 따른 검출 장치의 검출 기구를 예시한다.
도 4a는 검출 기구 내 차광 기구의 다른 특정한 예로서 유입구에 제공된 기구를 예시한다.
도 4b는 검출 기구 내 차광 기구의 또 다른 특정한 예로서 배출구에 제공된 기구를 예시한다.
도 4c는 검출 기구 내 차광 기구의 또 다른 특정한 예로서 유입구 및 배출구에 제공된 기구들 각각에 포함된 차광판들 중 하나의 특정한 예를 도시한다.
도 4d는 검출 기구 내 차광 기구의 또 다른 특정한 예로서 유입구 및 배출구에 제공된 기구들 각각에 포함된 차광판들 중 하나의 다른 특정한 예를 도시한다.
도 5는 열처리 전후의 대장균(Escherichia coli)의 형광 스펙트럼의 시간 변화를 도시한다.
도 6a는 열처리 전의 대장균의 형광 현미경 사진이다.
도 6b는 열처리 후의 대장균의 형광 현미경 사진이다.
도 7은 열처리 전후의 바실러스 서브틸리스(Bacillius subtilis)의 형광 스펙트럼의 시간 변화를 도시한다.
도 8a는 열처리 전의 바실러스 서브틸리스의 형광 현미경 사진이다.
도 8b는 열처리 후의 바실러스 서브틸리스의 형광 현미경 사진이다.
도 9는 열처리 전후의 페니실리움(Penicillium)의 형광 스펙트럼의 시간 변화를 도시한다.
도 10a는 열처리 전의 페니실리움의 형광 현미경 사진이다.
도 10b는 열처리 후의 페니실리움의 형광 현미경 사진이다.
도 11a는 열처리 전의 삼나무 꽃가루(cedar pollen)의 형광 현미경 사진이다.
도 11b는 열처리 후의 삼나무 꽃가루의 형광 현미경 사진이다.
도 12a는 열처리 전의 형광-방출 먼지의 형광 스펙트럼의 시간 변화를 도시한다.
도 12b는 열처리 후의 형광-방출 먼지의 형광 스펙트럼의 시간 변화를 도시한다.
도 13a는 열처리 전의 형광-방출 먼지의 형광 현미경 사진이다.
도 13b는 열처리 후의 형광-방출 먼지의 형광 현미경 사진이다.
도 14는 열처리 전후의 형광-방출 먼지의 형광 스펙트럼의 비교 결과를 도시한다.
도 15는 제1 실시 형태에 따른 검출 장치의 예시적인 기능적 구성을 도시하는 블록도이다.
도 16은 제1 실시 형태에 따른 검출 장치의 동작 흐름을 도시하는 흐름도이다.
도 17은 형광 감쇠(decay)와 미생물 농도 간의 특수한 관계를 도시하는 그래프이다.
도 18a는 검출 결과의 예시적인 디스플레이를 도시한다.
도 18b는 검출 결과를 디스플레이하는 방법을 도시한다.
도 19는 제2 실시 형태에 따른 검출 장치의 기본 구조를 도시한다.
도 20은 제2 실시 형태에 따른 검출 장치의 포집 유닛의 동작과 관련하여 예시한다.
도 21은 제2 실시 형태에 따른 검출 장치의 동작 흐름을 도시하는 타임차트이다.
도 22는 본 발명자들에 의해 측정에 사용된 도구의 구성을 개략적으로 도시한다.
도 23은 실시예 1에 있어서의 측정 결과를 도시한다.
도 24는 실시예 2에 있어서의 측정 결과를 도시한다.
도 25는 페니실리움의 열처리 온도와 열처리 전후에 페니실리움으로부터 제공된 형광 강도(intensity)의 비율 간의 관계를 도시한다.
이하에서는, 본 발명의 실시 형태들이 도면을 참조하여 설명될 것이다. 이하에서, 동일한 부품은 동일한 참조 부호로 나타낸다. 또한 이들의 명칭 및 기능도 동일하다.
실시 형태에서, 도 1에 도시된 공기 청정기는 검출 장치로서 기능한다고 가정한다. 도 1을 참조하면, 검출 장치(100)로서의 공기 청정기는 동작 명령을 수신하는 스위치, 및 검출 결과 등을 디스플레이하는 디스플레이 패널(130)을 포함한다. 또한, 공기를 도입하는 흡입구 및 도시되지 않은 공기를 배출하는 배기구가 제공된다. 검출 장치(100)는 기록 매체가 부착된 통신 유닛(150)을 더 포함한다. 통신 유닛(150)은 케이블(400)을 이용하여 외부 장치인 개인용 컴퓨터(PC)(300)와의 연결을 제공할 수 있다. 대안으로, 통신 유닛(150)은 인터넷을 통해 다른 장치들과 통신하기 위해 통신 라인과의 연결을 제공할 수 있다. 통신 유닛(150)은 적외선 통신을 통해 또는 인터넷을 통해 다른 장치들과 통신할 수 있다.
(제1 실시 형태)
도 2a를 참조하면, 제1 실시 형태에 따른 검출 장치(100A)는 공기 청정기의 검출 장치 부분인 실시 형태에 따른 검출 장치(100)로, 흡입구로부터 공기를 도입하는 유입구(10) 및 배출구(11)를 갖는 케이스(5)를 구비하고, 또한 그 케이스(5)를 포함하는 포집(collection) 센서 기구(20), 신호 처리 유닛(30) 및 측정 유닛(40)을 포함한다.
검출 장치(100A)에는, 공기 도입 기구(50)가 제공된다. 공기 도입 기구(50)는 흡입구로부터 케이스(5)로 공기를 도입한다. 공기 도입 기구(50)는 팬, 펌프 및 케이스(5)의 외부에 제공된 이들의 구동 기구일 수 있다. 공기 도입 기구는, 예를 들어, 히터, 마이크로 펌프, 마이크로 팬, 및 케이스(5)에 내장된 이들의 구동 기구일 수 있다. 또한, 공기 도입 기구(50)는 공기 청정기의 공기 청정 장치 부분의 공기 도입 기구와 공통된 구조를 가질 수 있다. 공기 도입 기구(50)에 포함된 구동 기구는 도입된 공기의 유량(flow rate)을 조절하도록 측정 유닛(40)에 의해 제어되는 것이 바람직하다. 공기 도입 기구(50)에 의해 도입된 공기의 유량은 1L(리터)/min 내지 50m3/min인 것이 바람직하다.
포집 센서 기구(20)는 검출 기구, 포집 기구 및 가열 기구를 포함한다.
도 2a는 포집 기구의 일예로서 방전 전극(discharge electrode)(1), 포집 지그(collecting jig)(12), 및 고전압 전원(2)을 포함하는 포집 기구를 도시한다. 방전 전극(1)은 고전압 전원(2)의 음극에 전기적으로 연결된다. 고전압 전원(2)의 양극은 접지된다. 그 결과, 도입된 공기중에 부유된 입자들은 방전 전극(1) 근처에 음으로 대전된다. 포집 지그(12)는, 예를 들어, 도전성 투명 코팅부(coating)(3)를 갖는 유리판으로 형성된 지지판(4)을 갖는다. 코팅부(3)는 접지된다. 따라서, 공기중에 부유된 음으로 대전된 입자들은 정전기력 때문에 포집 지그(12) 방향으로 이동하고, 도전성 코팅부(3)에 의해 유인되어 유지됨으로써, 그 입자들은 포집 지그(12)에 포집된다.
지지판(4)은 유리판으로 제한되지 않고 세라믹, 금속 또는 다른 물질로 형성될 수 있다. 지지판(4) 상에 형성된 코팅부(3)는 투명 코팅부로 제한되지 않는다. 다른 예를 들면, 지지판(4)은 세라믹과 같은 절연성 물질, 및 그 위에 형성된 금속 코팅부를 포함할 수 있다. 지지판(4)이 금속 물질로 이루어지면, 코팅부를 그 표면 상에 형성하는 것은 필요하지 않다. 더욱 상세히 말하면, 지지판(4)은 실리콘판, 스테인리스 강(stainless used steel: SUS)판, 또는 구리판 등일 수 있다.
이러한 검출 기구는, 광원으로서의 발광 소자(6); 발광 소자(6)에 의한 광 조사 방향으로 제공되어 발광 소자(6)로부터 광 빔을 시준(collimating)하거나 광 빔을 기설정된 폭으로 조정하는 렌즈(또는 렌즈들)(7); 개구(8); 수광 소자(9); 수광 소자(9)에 의한 수광 방향으로 제공되어 포집 기구에 의해 포집 지그(12)에 포집된 공기중 입자들에 발광 소자(6)로부터 수광 소자(9)로 향하는 광을 조사함으로써 생성된 형광을 포집하는 집광 렌즈(또는 렌즈들)(13); 및 조사되는 광 빔이 수광 소자(9)로 유입되는 것을 차단하는 필터(또는 필터들)(14)를 포함한다. 필요에 따라 개구(8)가 제공된다. 이들 컴포넌트에는 통상의 구성이 적용될 수 있다.
발광 소자(6)는 반도체 레이저(6) 또는 LED(발광 다이오드) 소자를 포함할 수 있다. 광의 파장은 이 광이 여기하여 공기중 입자들 중에서 생물학적 원천 입자들로부터 형광 방출을 유도할 수 있는 경우, 자외선 범위 또는 가시광 범위 내에 있을 수 있다. 바람직한 파장은 300nm 내지 450nm이며, 이에 따라 일본 특허 공개 제2008-508527호에 개시된 바와 같이 미생물 및 방출 형광에 포함된 트립토판(tryptophan), NaDH, 및 리보플라빈(riboflavin) 등이 효율적으로 여기된다. 수광 소자(9)로서, 통상의 포토 다이오드, 또는 이미지 센서 등이 사용된다.
렌즈(7) 및 집광 렌즈(13)의 각각은 플라스틱 수지 또는 유리로 형성될 수 있다. 렌즈(7) 및 개구(8)를 결합하면, 발광 소자(6)로부터 방출된 광 빔은 포집 지그(12)의 표면 상에 포집되고 포집 지그(12) 상에 조사 영역(15)을 형성한다. 조사 영역(15)의 형상은 특별히 제한되지 않고, 원형, 타원형 또는 직사각형 형상을 가질 수 있다. 조사 영역(15)의 크기는, 특별히 제한되는 것은 아니지만, 원형의 직경, 타원형의 장측 길이 또는 직사각형의 한 변의 길이가 약 0.05mm 내지 50mm의 범위 내에 있는 것이 바람직하다.
필터(14)는 단일 필터 또는 상이한 형태의 필터들의 조합으로 형성되며, 집광 렌즈(13) 또는 수광 소자(9)의 앞에 배치된다. 이것은 발광 소자(6)로부터 방출되어 포집 지그(12) 및 케이스(5)에 의해 반사된 광으로부터 유도된 미광(stray light)이 포집 지그(12)에 의해 포집된 입자들로부터의 형광과 함께 수광 소자(9)로 유입되는 것을 방지하게 해준다.
가열 기구는 측정 유닛(40)에 전기적으로 연결되고 그의 가열 양(amount of heating)(가열 시간, 가열 온도 양)이 측정 유닛(40)에 의해 제어되는 히터(91)를 포함한다. 적절한 히터(91)는 세라믹 히터를 포함한다. 하기의 설명에서 히터(91)는 세라믹 히터인 것으로 가정하지만, 적외선 히터, 또는 적외선 램프 등의 상이한 히터일 수 있다.
히터(91)는 포집 지그(12)에 포집된 공기중 입자들을 가열할 수 있는 위치에 제공되며, 적어도 가열시 어떤 수단 또는 다른 수단에 의해 발광 소자(6) 및 수광 소자(9)를 포함하는 센서 장비와 분리된다. 바람직하게, 도 2a에 도시된 바와 같이, 히터는 발광 소자(6) 및 수광 소자(9)와 같은 센서 장비에서 멀리 떨어진 일 측에 배치되며, 이때 포집 지그(12)는 그들 사이에 배치된다. 그러한 배치에 의해, 가열시, 히터(91)는 포집 지그(12)에 의해 발광 소자(6) 및 수광 소자(9)를 포함하는 센서 장비와 분리되며, 그럼으로써 발광 소자(6), 및 수광 소자(9) 등에 미치는 열의 영향을 방지할 수 있다. 더욱 상세히 말하면, 히터(91)는 도 2b에 도시된 바와 같은 단열재로 둘러싸여 있다. 적절한 단열재는 유리 에폭시 수지를 포함한다. 그러한 구조에 따르면, 본 발명자들은 세라믹 히터로 구현된 히터(91)가 약 2분 후에 200℃에 이르렀다면, 히터(91)에 연결된 부분(도시되지 않음)의 온도는 그 사이에 단열재가 개재된 상태에서 30℃를 넘지 않았다는 것을 확인하였다.
케이스(5)는 각 변의 길이가 3mm 내지 500mm인 직육면체 형상을 갖는다. 케이스(5)가 본 실시 형태에서 직육면체 형상을 갖지만, 그 형상은 제한되지 않고, 케이스는 상이한 형상을 가질 수 있다. 바람직하게, 적어도 그 내측면은 검은색으로 칠해져 있거나 검은색 알루마이트로 처리된다. 이것은 미광의 원인인 내부 벽면으로부터 광이 반사하는 것을 방지하게 해준다. 케이스(5)의 물질이 특별히 제한되는 것은 아니지만, 플라스틱 수지, 알루미늄, 스테인리스 강 또는 이들의 조합이 사용되는 것이 바람직할 수 있다. 케이스(5)의 유입구(10) 및 배출구(11)는 직경이 1mm 내지 50mm인 원형 형상을 갖는다. 유입구(10) 및 배출구(11)의 형상은 원형으로 제한되지 않고, 타원형 또는 직사각형일 수 있다.
전술한 바와 같이, 필터(14)는 수광 소자(9)의 앞에 배치되고 미광이 수광 소자(9)로 유입되는 것을 방지하는 역할을 한다. 그러나, 형광 강도를 더 높이기 위해서는, 발광 소자(6)로부터 방출된 광의 강도를 증가시키는 것이 필요하다. 이것은 반사광의 강도를 더 높아지게 하며, 즉 미광의 강도를 증가하게 해준다. 그러므로, 발광 소자(6) 및 수광 소자(9)는 미광의 강도가 필터(14)에 의해 성취되는 차광 효과보다 낮게 유지되도록 하는 위치 관계를 갖도록 배치된다.
발광 소자(6) 및 수광 소자(9)의 예시적인 배치에 대해서는 도 2a, 도 3a 및 도 3b를 참조하여 설명될 것이다. 도 3a는 화살표 방향으로 도 2a의 위치 IIIA-IIIA에서 본 검출 장치(100A)의 단면도이며, 도 3b는 화살표 방향으로 도 3a의 위치 IIIB-IIIB에서 절취한 단면도이다. 설명의 편의상, 이들 도면에서, 포집 지그(12)와 다른 포집 기구는 도시되지 않았다.
도 3a를 참조하면, 도 2a의 화살표 IIIA(상부면)의 방향에서 볼 때, 발광 소자(6) 및 렌즈(7)는 수광 소자(9) 및 집광 렌즈(13)에 직각 또는 대략 직각으로 배치된다. 발광 소자(6)로부터 렌즈(7) 및 개구(8)를 통과하여, 포집 지그(12)의 표면 상에 형성된 조사 영역(15)으로부터 반사된 광은 입사광을 따른 방향으로 진행한다. 그러므로, 그러한 구조에 의해, 반사광이 수광 소자(9)에 직접 유입되는 것이 방지된다. 포집 지그(12)의 표면으로부터 방출된 형광은 등방성(isotropic)이므로, 그 배치는 반사광 및 미광이 수광 소자(9)로 유입되는 것을 방지할 수 있는 한 전술한 것으로 제한되지 않는다.
더욱 상세히 말하면, 포집 지그(12)는 수광 소자(9)에 대한 조사 영역(15)에 대응하는 표면 상에 포획된(trapped) 입자들로부터 방출된 형광을 포집하는 구성을 갖는다. 그러한 구성은, 예를 들어, 도 3b에 도시된 구형 오목부(recess)(51)에 해당한다. 또한, 포집 지그(12)는 포집 지그(12)의 표면이 수광 소자(9)에 마주보도록 수광 소자(9)의 방향으로 각도 θ(Theta)만큼 경사져 제공되는 것이 바람직하다. 그러한 구성에 의해, 구형 오목부(51) 내에 있는 입자들로부터 등방성으로 방출된 형광은 구형 표면 상에 반사되어 수광 소자(9)의 방향으로 효과적으로 포집됨으로써, 수광 신호는 강화될 수 있다. 오목부(51)의 크기가 제한되는 것은 아니지만, 그 크기는 조사 영역(15)보다 크게 이루어지는 것이 바람직하다.
다시 도 2a를 참조하면, 수광 소자(9)는 신호 처리 유닛(30)에 연결되어 수광된 광의 강도에 비례하는 전류 신호를 신호 처리 유닛(30)으로 출력한다. 그러므로, 도입된 공기중에 부유되고, 포집 지그의 표면 상에 포집되어 발광 소자(6)로부터의 광이 조사된 입자들로부터 방출된 형광이 수광 소자(9)에 의해 수광되고 수광된 광의 강도가 신호 처리 유닛(30)에 의해 검출된다.
또한, 케이스(5)의 유입구(10) 및 배출구(11)에는 각기 셔터(16A 및 16B)가 제공된다. 셔터(16A 및 16B)는 측정 유닛(40)에 연결되어 자신들의 개방/폐쇄(opening/closing)가 제어된다. 셔터(16A 및 16B)가 폐쇄될 때, 케이스(5)로의 외부 광의 공기 흐름과 유입이 차단된다. 측정 유닛(40)은 후술하는 바와 같이 형광 측정 시 셔터(16A 및 16B)를 폐쇄하여, 케이스(5)로의 외부 광의 공기 흐름과 유입을 차단한다. 결과적으로, 형광 측정 시, 포집 기구에 의한 공기중 입자들의 포집이 중단된다. 또한, 케이스(5)로의 외부 광의 유입이 차단되기 때문에, 케이스(5) 내에서 미광이 줄어들 수 있다. 셔터들(16A 및 16B) 중 하나만, 예를 들어, 배출구(11) 측의 셔터(16B)만 제공되면 충분할 수 있다.
또한, 케이스(5)로의/로부터의 공기 흐름을 허용하지만 외부 광의 유입을 차단하는 구성으로서, 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같은 차광부(light shielding portions)(10A 및 11A)가 유입구(10) 및 배출구(11)에 제공될 수 있다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 유입구(10) 및 배출구(11)에 제공된 차광부(10A 및 11A)는 둘 다 약 4.5mm 간격으로 교대로 중첩된 차광판(10a 및 10b)을 갖는다. 차광판(10a 및 10b)에는 서로 중첩하지 않는 부분에 홀이 형성되며, 여기서 홀의 형상은 각기 도 4c 및 도 4d에 도시된 바와 같이 유입구(10) 및 배출구(11)의 형상(여기서는, 원형)과 같다. 구체적으로, 차광판(10a)에는 원주부에 홀이 개방되어 있고, 차광판(10b)에는 그 중심에 홀이 개방되어 있다. 차광판(10a 및 10b)이 중첩되면, 각 판에 형성된 홀들은 중첩하지 않는다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 유입구(10)용 차광부(10A)에서는, 차광판(10a), 차광판(10b), 차광판(10a) 및 차광판(10b)이 이 순서대로 외측에서 내측으로 배치된다. 도 4b에 도시된 바와 같이, 배출구(11)용 차광부(11A)에서는, 차광판(10b), 차광판(10a) 및 차광판(10b)이 이 순서대로 (공기 도입 기구(50) 측의) 외측에서 내측으로 배치된다. 이러한 구성에 의해, 케이스(5)로의/로부터의 공기 흐름은 가능하지만, 외부 광의 유입이 차단되고, 케이스(5) 내에서 미광이 줄어들 수 있다.
신호 처리 유닛(30)은 측정 유닛(40)에 연결되어 전류 신호 처리 결과를 측정 유닛(40)으로 출력한다. 신호 처리 유닛(30)으로부터의 처리 결과에 기초하여, 측정 유닛(40)은 측정 결과를 디스플레이 패널(130) 상에 디스플레이하는 프로세스를 수행한다.
본 실시 형태에 따른 검출 장치는 생물학적 원천의 공기중 입자들의 양을 검출한다. 이하의 설명에서 언급한 "생물학적 원천의 입자들"은, 전형적으로 미생물(microbes) 또는 다른 미생물(microorganisms)(이들의 사체(corpses) 포함)로 표현되지만, 이들이 죽든지 살든지 상관없이, 생물 활동을 행하는 어떤 다른 생물학적 개체 또는 생물학적 개체 또는 이들의 일부가 공기 중에 부유하게 하는 크기를 갖는 생물학적 개체의 일부를 또한 포함한다. 더욱 상세히 말하면, 미생물 또는 다른 미생물(이들의 사체 포함)과 달리, 생물학적 원천의 입자들은 또한 꽃가루(pollen), 및 진드기(mites)(이들의 사체 포함)도 포함할 수 있다. 하기의 설명에서, "미생물(microorganisms)"은 "생물학적 원천의 입자들"를 나타낼 것이며, 꽃가루 등도 마찬가지로 고려될 것이다.
여기서, 검출 장치에서의 검출 원리가 설명될 것이다.
일본 특허 공개 제2008-508527호에 개시된 바와 같이, 생물학적 원천의 공기중 입자들에 자외선 또는 청색 광이 조사되면, 그 입자들이 형광을 방출한다는 것이 종래에 알려져 있다. 그러나, 공기중에, 화학 섬유의 먼지 및 린트와 같은 형광을 방출하는 다른 입자들도 부유된다. 그러므로, 단순히 형광을 검출하여 생물학적 원천의 입자들 또는, 예를 들어, 화학 섬유의 먼지에서 광이 방출되는지를 구별하는 것은 불가능하다.
전술한 바에 비추어, 본 발명자들은 생물학적 원천의 입자들과 화학 섬유의 먼지 등에 대해 열처리를 수행하였고, 가열 전후의 형광 변화를 측정하였다. 도 5 내지 도 14는 본 발명자들에 의해 얻은 특정한 측정 결과를 보여준다. 이러한 측정 결과로부터, 본 발명자들은 먼지로부터의 형광 강도는 가열 전후에 변화하지 않았으며, 반면에 생물학적 입자들로부터 방출된 형광 강도는 가열 후에 증가한 것을 알았다.
또한, 본 발명자들은 여러 온도에서 5분 동안 페니실리움을 열처리 받고 열처리 전후에 페니실리움으로부터 제공된 형광 강도(즉, 열처리 후의 형광 강도/열처리 전의 형광 강도)의 비율을 측정하였다. 도 25는 본 발명자들에 의해 수행된 측정으로부터 얻은, 페니실리움의 열처리 온도와 열처리 전후에 페니실리움으로부터 제공된 형광 강도의 비율 간의 관계를 도시한다. 이러한 측정으로부터, 도 25에 도시된 바와 같이, 페니실리움이 50℃로 가열되었을 때, 페니실리움의 형광 강도는 페니실리움이 가열되기 전과 가열된 후 사이에 변화가 거의 없었고, 페니실리움이 100℃ 또는 그 이상으로 가열되었을 때, 페니실리움의 형광 강도는 상당히 증가하였음을 알게 되었다. 또한, 도면에는 도시되지 않았지만, 페니실리움이 250℃로 가열되었을 때, 페니실리움의 형광 강도는 페니실리움이 200℃로 가열되었을 때보다 덜 변화하였다는 것도 알게 되었다. 이러한 측정으로부터, 본 발명자들은 100℃ 내지 250℃의 열처리가 적절하고, 더욱 바람직하게는, 200℃의 열처리가 더 적절하다는 것을 알았다. 따라서, 본 발명자들은 여러 시료들(specimens)을 200℃에서 5분 동안 열처리 받았고 따라서 열처리 전후 사이에 각 시료로부터 형광이 어떻게 변화하는지를 측정하였다.
더욱 상세히 말하면, 도 5는 생물학적 입자로서 대장균(Escherichia coli)의 열처리 전(곡선 71)과 200℃에서 5분 동안 열처리한 후(곡선 72)의 형광 스펙트럼의 측정 결과를 도시한다. 도 5에 도시된 측정 결과로부터, 대장균으로부터의 형광 강도는 열처리에 의해 상당히 증가하였음을 알 수 있다. 또한, 도 6a의 열처리 전의 대장균의 형광 현미경 사진과 도 6b의 열처리 후의 대장균의 형광 현미경 사진 간의 비교로부터 대장균으로부터의 형광 강도는 열처리에 의해 상당히 증가하였음이 명백하다.
마찬가지로, 도 7은 생물학적 입자로서 바실러스 서브틸리스(Bacillius subtilis)의 열처리 전(곡선 73)과 200℃에서 5분 동안 열처리한 후(곡선 74)의 형광 스펙트럼의 측정 결과를 도시하고, 도 8a는 열처리 전의 형광 현미 경사진이고, 도 8b는 열처리 후의 형광 현미경 사진이다. 도 9는 생물학적 입자로서 페니실리움(Penicillium)의 열처리 전(곡선 75)과 200℃에서 5분 동안 열처리한 후(곡선 76)의 형광 스펙트럼의 측정 결과를 도시하고, 도 10a는 열처리 전의 형광 현미경 사진이고 도 10b는 열처리 후의 형광 현미경 사진이다. 또한, 도 11a 및 도 11b는 각기 생물학적 원천의 입자로서 삼나무 꽃가루(cedar pollen)의 열처리 전과 200℃에서 5분 동안 열처리한 후의 형광 현미경 사진이다. 이러한 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 대장균의 경우에서와 같이, 상이한 생물학적 원천의 입자들로부터의 형광 강도는 열처리에 의해 마찬가지로 상당히 증가된다.
이와 대조적으로, 도 12a 및 도 12b는 형광-방출 먼지의 열처리 전(곡선 77)과 200℃에서 5분 동안 열처리한 후(곡선 78)의 형광 스펙트럼의 측정 결과를 도시하고, 도 13a는 열처리 전의 형광 현미경 사진이고 도 13b는 열처리 후의 형광 현미경 사진이다. 도 12a의 형광 스펙트럼을 도 12b의 형광 스펙트럼에 놓으면, 도 14를 얻게 되며, 이로부터 이들 스펙트럼이 서로 상당히 중첩된다는 것을 확인할 수 있다. 특히, 도 14의 결과로부터 그리고 도 13a와 도 13b 사이의 비교로부터, 먼지로부터의 형광 강도는 열처리 전후에 변화하지 않는다는 것을 알 수 있다.
검출 장치(100)에서의 검출 원리로서, 본 발명자들이 확인한 전술한 현상이 적용된다. 구체적으로, 먼지, 생물학적 입자들이 부착된 먼지, 및 생물학적 원천의 입자들은 공기중에 부유된다. 전술한 현상으로부터, 포집된 입자들이 형광-방출 먼지를 포함하면, 열처리 전에 측정한 형광 스펙트럼은 생물학적 원천의 입자들로부터의 형광 및 형광-방출 먼지로부터의 형광을 포함하게 되며, 그래서, 예를 들어, 화학 섬유의 먼지로부터 생물학적 원천의 입자들을 구별하는 것이 불가능하다. 그러나, 열처리에 의해, 생물학적 원천의 입자들로부터의 형광 강도만이 증가되며, 반면에 형광-방출 먼지로부터의 형광 강도는 변화하지 않는다. 그러므로, 열처리 전의 형광 강도와 기설정된 열처리 후의 형광 강도의 차를 측정함으로써, 생물학적 원천의 입자들의 양을 파악하는 것이 가능하다.
전술한 원리를 활용하여 공기중 미생물을 검출하는 검출 장치(100A)의 기능적 구성에 대해 도 15를 참조하여 설명될 것이다. 도 15는 신호 처리 유닛(30)의 기능들을 주로 전기 회로의 하드웨어 구성에 의해 구현하는 일예를 도시한다. 그러나, 이러한 기능들의 적어도 일부가 신호 처리 유닛(30)에 제공된 도시되지 않은 CPU(중앙 처리 유닛)에 의해 실현되는 소프트웨어 구성에 의해 구현될 수 있음이 주목된다. 또한, 도시된 예에서, 측정 유닛(40)은 소프트웨어 구성에 의해 구현된다. 그 기능들의 적어도 일부는 전기 회로와 같은 하드웨어 구성에 의해 실현될 수 있다.
도 15를 참조하면, 신호 처리 유닛(30)은 수광 소자(9)에 연결된 전류-전압 변환 회로(34), 및 전류-전압 변환 회로(34)에 연결된 증폭 회로(35)를 포함한다.
측정 유닛(40)은 제어 유닛(41), 저장 유닛(42), 및 클럭 생성 회로(43)를 포함한다. 또한, 측정 유닛(40)은 스위치(110)의 동작시 스위치(110)로부터 입력 신호를 수신하여 입력된 정보를 수신하는 입력 유닛(44); 측정 결과 등을 디스플레이 패널(130) 상에 디스플레이하는 프로세스를 실행하는 디스플레이 유닛(45); 데이터 등을 통신 유닛(150)에 연결된 외부 장치와 교환하는 데 필요한 프로세스들을 수행하는 외부 연결 유닛(46); 및 셔터(16A 및 16B), 공기 도입 기구(50) 및 히터(91)를 구동하는 구동 유닛(48)을 포함한다.
케이스(5)에 도입되어 포집 지그(12)에 포집된 입자들에 발광 소자(6)로부터의 광이 조사되면, 조사 영역 내 입자들로부터 방출된 형광은 수광 소자(9)에서 포집된다. 수광 소자(9)는 수광된 광의 양에 따라 전류 신호를 신호 처리 유닛(30)으로 출력한다. 전류 신호는 전류-전압 변환 회로(34)에 입력된다.
전류-전압 변환 회로(34)는 수광 소자(9)로부터 입력된 전류 신호로부터의 형광 강도를 나타내는 피크 전류 값 H를 검출하고, 이를 전압 값 Eh로 변환한다. 전압 값 Eh는 증폭 회로(35)에 의해 기설정 이득만큼 증폭되고, 그 결과는 측정 유닛(40)으로 출력된다. 측정 유닛(40)의 제어 유닛(41)은 신호 처리 유닛(30)으로부터 입력된 전압 값 Eh를 수신하여 저장 유닛(42)에 연속적으로 저장한다.
클럭 생성 유닛(43)은 클럭 신호를 생성하여 제어 유닛(41)으로 출력한다. 클럭 신호에 기반한 타이밍에 따라, 출력 유닛(41)은 셔터(16A 및 16B)를 개방 및 폐쇄하기 위한 제어 신호를 구동 유닛(48)으로 출력하여, 셔터(16A 및 16B)의 개방/폐쇄를 제어한다. 또한, 제어 유닛(41)은 발광 소자(6) 및 수광 소자(9)에 전기적으로 연결되어, 이들 소자의 ON/OFF를 제어한다.
제어 유닛(41)은 계산 유닛(411)을 포함한다. 계산 유닛(411)은 저장 유닛(42)에 저장된 전압 값 Eh를 이용하여 도입된 공기중에 부유된 생물학적 원천의 입자들의 양을 계산하도록 동작한다. 구체적인 동작에 대해서는 제어 유닛(41)에 의한 제어 흐름을 도시하는 도 16의 타임차트를 이용하여 설명될 것이다. 여기서, 생물학적 원천의 입자들의 양으로서, 케이스(5)에 도입된 공기중에 부유된 미생물의 농도가 계산되는 것으로 가정한다.
도 16을 참조하면, 검출 장치(100A)의 전원이 ON되면, 측정 유닛(40)의 제어 유닛(41)은 제어 신호를 구동 유닛(48)으로 출력하여 공기 도입 기구(50)를 구동하도록 한다. 또한, 클럭 생성 유닛(43)으로부터의 클럭 신호에 기반한 시점 T1에서, 제어 유닛(41)은 셔터(16A 및 16B)를 개방(ON)하기 위한 제어 신호를 구동 유닛(48)으로 출력한다. 그 다음, T1부터 △(델타)T1이 경과한 후 시점 T2에서, 출력 유닛(41)은 셔터(16A 및 16B)를 폐쇄(OFF)하기 위한 제어 신호를 구동 유닛(48)으로 출력한다.
따라서, T1부터 시간 △T1 동안, 셔터(16A 및 16B)가 개방되고, 공기 도입 기구가 구동됨에 따라, 외부 공기는 유입구(10)를 통해 케이스(5)로 도입된다. 케이스(5)에 도입된 공기중에 부유된 입자들은 방전 전극(1)에 의해 음으로 대전되며, 그리고 방전 전극(1)과 포집 지그(12)의 표면 상의 코팅부(3) 사이에 형성된 전기장 및 공기 흐름에 의해, 입자들은 시간 △T1 동안 포집 지그(12)의 표면 상에 포집된다.
시점 T2에서, 셔터(16A 및 16B)가 폐쇄되어, 케이스(5) 내에서 공기 흐름이 중단된다. 따라서, 포집 지그(12)에 의한 공기중 입자들의 포집은 종료된다. 또한, 외부로부터의 미광은 차단된다.
셔터(16A 및 16B)가 폐쇄되는 시점 T2에서, 제어 유닛(41)은 제어 신호를 수광 소자(9)로 출력하여 수광을 시작(ON)하도록 한다. 이와 동시에(T2) 또는 T2를 약간 지난 후 T3에서, 제어 유닛은 제어 신호를 발광 소자(6)로 출력하여 발광을 시작(ON)하도록 한다. 그 후, T3로부터, 형광 강도를 측정하기 위한 사전 규정된 측정 시간인 △T2가 경과한 후 시점 T4에서, 제어 유닛(41)은 제어 신호를 수광 소자(9)로 출력하여 수광을 중단(OFF)하도록 하고, 제어 신호를 발광 소자(6)로 출력하여 발광을 중단(OFF)하도록 한다. 측정 시간은 제어 유닛(41)에 사전에 설정되어 있을 수 있거나, 또는, 예를 들어, 스위치(110)의 조작에 의해, 케이블(400)을 통해 통신 유닛(150)에 연결된 PC(300)로부터의 신호에 의해, 또는 통신 유닛(150)에 부착된 기록 매체로부터의 신호에 의해 입력되거나 변경될 수 있다.
구체적으로, 시점 T3부터(또는 T2부터), 발광 소자(6)로부터 발광이 시작된다. 발광 소자(6)로부터의 광은 포집 지그(12)의 표면 상의 조사 영역(15)으로 향하고, 포집된 입자들로부터 형광이 방출된다. 시간 T3부터 규정된 측정 시간 △T2 동안 수광 소자(9)에 의해 형광이 수광되며, 형광 강도 F1에 따른 전압 값이 측정 유닛(40)에 입력되어 저장 유닛(42)에 저장된다.
이때, LED(도시되지 않음)와 같은 별개의 발광 소자가 제공될 수 있으며, 이 소자로부터 방출되고 포집 지그(12)의 표면 상에 입자들이 포집되지 않은 반사 영역(도시되지 않음)으로부터 반사된 광은 별개의 수광 소자(도시되지 않음)에 의해 포집될 수 있으며, 수광된 광의 강도는 기준값 I0으로서 사용될 수 있고, 값 F1/I0는 저장 유닛(42)에 저장될 수 있다. 기준값 I0에 대한 비율을 계산함으로써, 발광 소자 또는 수광 소자의 습도 및 온도와 같은 환경 조건으로부터, 또는 열화 또는 노화에 의해 야기된 특성 변동에 기인한 형광 강도의 변동을 보상하는 것이 유리하게 가능해진다.
발광 소자(6)에 의한 발광 및 수광 소자(9)에 의한 수광이 중단되는 시점 T4 (또는 T4보다 약간 나중의 시점)에서, 제어 유닛(41)은 제어 신호를 히터(91)로 출력하여 가열을 시작(ON)하도록 한다. 그 후, 히터(91)에 의한 가열 시작부터(시점 T4 또는 T4보다 약간 나중의 시점부터) 열처리를 위한 사전 규정된 가열 시간인 △T3가 경과한 후 시점 T5에서, 제어 유닛(41)은 제어 신호를 히터(91)로 출력하여 가열을 중단(OFF)하도록 한다.
따라서, T4(또는 T4보다 약간 나중의 시점)부터 가열 시간 △T3 동안, 포집 지그(12)의 표면 상의 조사 영역(15)에 포집된 입자들에 대한 열처리가 히터(91)에 의해 수행된다. 이때 가열 온도는 사전에 규정된다. 시간 △T3 동안의 열처리에 의해, 포집 지그(12)의 표면 상에 포집된 입자들은 사전 규정된 열 입력(heat inputs)에 의해 가열된다. 전술한 측정 시간의 경우에서와 같이, 열처리 △T3의 시간(즉, 열 입력)은 제어 유닛(41)에서 사전에 설정되어 있을 수 있거나, 예를 들어, 스위치(110)의 조작에 의해, 케이블(400)을 통해 통신 유닛(150)에 연결된 PC(300)로부터의 신호에 의해, 또는 통신 유닛(150)에 부착된 기록 매체로부터의 신호에 의해 입력되거나 변경될 수 있다.
그 후, 시간 △T4 동안, 가열된 입자들은 냉각된다. 냉각 프로세스를 위해, 공기 도입 기구(50)가 사용될 수 있다. 그 경우, 외부 공기가 HEPA(High Efficiency Particulate Air, 헤파) 필터가 제공된 개구부(도 2에 도시되지 않음)로부터 유입될 수 있다. 대안으로, 펠티어(Peltier) 장치와 같은 별개의 냉각 기구가 사용될 수 있다.
그 후, 제어 유닛(41)은 공기 도입 기구(50)의 동작을 종료하기 위한 제어 신호를 출력하고, 시간 T6에서, 제어 신호를 수광 소자(9)로 출력하여 수광을 시작(ON)하도록 한다. 이와 동시에(T6) 또는 T6보다 약간 나중의 시간 T7에서, 제어 유닛은 제어 신호를 발광 소자(6)로 출력하여 광의 발광을 시작(ON)하도록 한다. 그 후, T7부터 △T2가 경과한 후 시점 T8에서, 제어 유닛(41)은 제어 신호를 수광 유닛(9)으로 출력하여 수광을 종료(OFF)하도록 하고 제어 신호를 발광 소자(6)로 출력하여 광의 발광을 종료(OFF)하도록 한다.
이러한 방식으로, 시간 △T3 동안 열처리한 후, 발광 소자(6)에 의해 조사된 포집 지그(12)의 표면 상의 조사 영역(15)에 포집된 입자들로부터, 측정 시간 △T2 동안 수광 소자(9)에 의해 형광이 수광된다. 형광 강도 F2에 대응하는 전압 값은 측정 유닛(40)에 입력되어 저장 유닛(42)에 저장된다.
계산 유닛(411)은 저장된 형광 강도 F1과 형광 강도 F2 사이의 차를 증가량 △F로서 계산한다. 전술한 바와 같이, 증가량 △F는 생물학적 입자들의 양(입자들의 개수 또는 농도)과 관련된다. 계산 유닛(411)은 증가량 △F와 도 17에 도시된 바와 같은 생물학적 입자들의 양(입자들의 농도) 간의 대응 관계를 사전에 저장한다. 그 다음, 계산 유닛(411)은 증가량 △F와 대응 관계를 이용하여 구한 생물학적 원천의 입자들의 농도를 시간 △T1 동안 케이스(5)에 도입된 공기중의 생물학적 원천의 입자들의 농도로서 제공한다.
증가량 △F와 생물학적 원천의 입자들의 농도 간의 대응 관계는 사전에 실험에 의해 결정된다. 예를 들면, 대장균, 바실러스 서브틸리스 또는 페니실리움과 같은 한 종류의 미생물이 1m3의 크기를 갖는 용기 내에 분무기를 이용하여 분사된다. 미생물의 농도가 N(입자/m3)으로 유지되는 동안, 이 미생물들은 시간 △T1 동안 검출 장치(100)를 이용하여 전술한 검출 방법에 의해 포집된다. 그 다음, 포집된 미생물들은 히터(91)를 이용하여 사전 규정된 열 입력(가열 시간 △T3, 사전 규정된 가열 온도)에 의해 가열되고, 사전 규정된 시간 △T4 동안 냉각되며, 가열 전후의 형광 강도의 증가량 △F가 측정된다. 각종 농도의 미생물들에 대해 마찬가지 측정을 수행함으로써, 도 17에 도시된 바와 같이 증가량 △F와 미생물 농도(입자/m3) 간의 관계를 알 수 있다.
증가량 △F와 생물학적 입자들의 농도 간의 대응 관계는 스위치(110) 등의 조작에 의해 입력되어 계산 유닛(411)에 저장될 수 있다. 대안으로, 이러한 대응 관계가 기록된 기록 매체가 통신 유닛(150)에 부착되어 외부 연결 유닛(46)에 의해 판독되고 계산 유닛(411)에 저장될 수 있다. 이 대응관계는 PC(300)에 의해 입력되고 전송되며, 통신 유닛(150)에 연결된 케이블(400)을 통해 외부 연결 유닛(46)에 의해 수신되어, 계산 유닛(411)에 저장될 수 있다. 만일 통신 유닛(150)이 적외선 또는 인터넷 통신에 적합하다면, 전술한 대응 관계는 그러한 통신에 의해 통신 유닛(150)에서 외부 연결 유닛(46)에 의해 수신되어, 계산 유닛(411)에 저장될 수 있다. 또한, 일단 계산 유닛(411)에 저장된 대응 관계는 측정 유닛(40)에 의해 갱신될 수 있다.
만일 증가량 △F가 차분 △F1으로 계산된다면, 계산 유닛(411)은 도 17에 도시된 대응 관계로부터 증가량 △F1에 대응하는 값을 식별하고, 그에 따라 생물학적 원천의 입자들의 농도 N1(입자/m3)을 계산한다.
그러나, 증가량 △F와 미생물 농도 간의 대응 관계는 미생물(microorganism)의 종류(예를 들어, 미생물(microbes)의 종류)에 따라 다를 수 있다는 점에 주목한다. 그러므로, 계산 유닛(411)은 몇 가지 미생물을 표준 미생물로 규정하고 증가량 △F와 미생물 농도 간의 대응 관계를 저장한다. 이러한 방식으로, 여러 환경에서 미생물 농도는 표준 미생물과 동등한 미생물 농도로서 계산될 수 있으며, 그럼으로써 환경 관리가 더 용이해진다.
사전 규정된 열 입력(사전 규정된 가열 온도, 가열 시간 △T3)의 열처리 전후의 형광 강도의 차가 전술한 실시 형태에서 증가량 △F로 사용되지만, 그 비율도 사용될 수 있다.
계산 유닛(411)에 의해 계산된 포집된 입자들 중에 생물학적 입자 또는 미생물의 농도가 제어 유닛(41)으로부터 디스플레이 유닛(45)으로 출력된다. 디스플레이 유닛(45)은 입력된 미생물 농도를 디스플레이 유닛(130) 상에 디스플레이하기 위한 프로세스를 수행한다. 디스플레이 패널(130)에 대한 디스플레이의 일예는 도 18a의 센서 디스플레이이다. 구체적으로, 디스플레이 패널(130) 상에, 농도에 대응하는 램프가 제공되며, 디스플레이 유닛(45)은 계산된 농도에 대응하는 램프를 지정하여 도 18b에 도시된 바와 같이 그 램프를 켠다. 다른 예를 들면, 계산된 농도에 따라 램프를 상이한 색상으로 켜는 것도 역시 가능하다. 디스플레이 패널(130)에 대한 디스플레이는 램프로 제한되지 않고, 대응하는 농도에 대해 사전에 마련된 수치 또는 농도 또는 메시지들이 디스플레이될 수 있다. 측정 결과는 통신 유닛(150)에 부착된 기록 매체에 기록될 수 있거나, 또는 통신 유닛(150)에 연결된 케이블(400)을 통해 PC(300)로 전송될 수 있다.
입력 유닛(44)은 스위치(110)로부터의 조작 신호에 따라 디스플레이 패널(130)에 대해 선택된 디스플레이 방법을 수신할 수 있다. 측정 결과를 디스플레이 패널(130) 상에 디스플레이할 것인지 외부 장치로 출력할 것인지를 선택할 수 있다. 이러한 선택 내용을 나타내는 신호가 제어 유닛(41)으로 출력될 수 있으며, 필요한 제어 신호가 제어 유닛(41)으로부터 디스플레이 유닛(45) 및/또는 외부 연결 유닛(46)으로 출력된다.
이러한 방식으로, 검출 장치(100A)는 생물학적 원천의 입자들로부터의 형광과 형광-방출 먼지로부터의 형광 사이에서 가열될 때의 특성 차를 활용하고, 사전 규정된 열처리 후의 증가량에 따라, 생물학적 원천의 입자들이 검출된다. 구체적으로, 검출 장치(100A)는, 포집된 생물학적 입자들 및 먼지가 열처리를 받으면, 미생물로부터의 형광 강도는 증가하는 반면, 먼지로부터의 형광 강도는 변화하지 않는다는 현상을 이용하여 생물학적 원천의 입자들을 검출한다. 그러므로, 형광-방출 먼지가 도입된 공기중에 부유되어도, 형광-방출 먼지로부터 분리된 생물학적 입자들을 고정밀도로 실시간 단위로 검출하는 것이 가능하다.
또한, 검출 장치(100A)는 도 16에 도시된 바와 같은 방식으로 제어되며 그에 따라 셔터(16A 및 16B)는 포집 기구에 의한 포집 단계로부터 검출 기구에 의한 검출 단계로 전환 시 폐쇄된다. 그 결과, 형광 측정 동안 공기중 입자들을 산란시킴으로써 야기되는 미광이 줄어들 수 있고 측정 정밀도가 개선될 수 있다.
(제2 실시 형태)
도 19에 도시된 바와 같이, 제2 실시 형태에 따른 검출 장치(100B)는 검출 기구, 포집 기구 및 가열 기구를 포함한다. 도 19에서, 검출 장치(100A)에서와 같은 동일한 참조 부호로 나타낸 부재들은 검출 장치(100A)의 대응하는 부재들과 실질적으로 동일하다. 이하에서는, 검출 장치(100A)에 대한 차이점만 주로 설명될 것이다.
더욱 상세히 말하면, 도 19를 참조하면, 검출 장치(100B)는 포집 기구의 적어도 일부를 포함하는 포집 챔버(5A), 및 검출 기구를 포함하고 홀(5C')을 갖는 격벽(5C)에 의해 구획된 검출 챔버(5B)를 구비한다. 포집 챔버(5A)에서는, 침상 방전 전극(1) 및 포집 지그(12)가 포집 기구로서 제공되며, 그리고 검출 챔버(5B)에서는, 발광 소자(6), 수광 소자(9) 및 집광 렌즈(13)가 검출 기구로서 제공된다.
포집 챔버(5A)의 방전 전극(1) 및 포집 지그(12)의 측면 상에, 각각 공기를 포집 챔버(5A)로 도입하기 위한 유입구(10) 및 배출구(11)가 제공된다. 또한, 도 19에 도시된 바와 같이, 유입구(10)에는 필터(전치 필터)(10B)가 제공될 수 있다.
유입구(10) 및 배출구(11)에는 포집 챔버(5A)로의/로부터의 공기 흐름을 허용하면서 외부 공기의 유입을 차단하도록, 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이 검출 장치(100A)의 차광부와 유사한 차광부(10A 및 10B)가 제공될 수 있다.
팬(50A)은 공기 도입 기구로서 배출구(11) 가까이에 제공된다. 팬(50A)에 의해, 공기가 유입구로부터 포집 챔버(5A)로 도입된다. 공기 도입 기구(50)는 포집 챔버(5A)의 외부에 제공된 펌퍼 및 그의 구동 기구일 수 있다. 공기 도입 기구는, 예를 들어, 포집 챔버(5A)에 내장된 히터, 마이크로 펌프, 마이크로 팬 및 이들의 구동 기구일 수 있다. 또한, 팬(50A)은 공기 청정기의 공기 청정 장치 부분의 공기 도입 기구와 공통된 구조를 가질 수 있다. 팬(50A)의 구동 기구는 도입된 공기의 유량을 조절하도록 측정 유닛(40)에 의해 제어되는 것이 바람직하다. 팬(50A)에 의해 도입된 공기의 유량은 1L(리터/min 내지 50m3/min)인 것이 바람직하다. 팬(50A)은, 측정 유닛(40)에 의해 제어되는 도시되지 않은 구동 기구에 의해 구동될 때, 유입구(10)를 통해 포집 챔버(5A)의 외부 공기를 도입하고 포집 챔버(5A) 내에 있는 공기를 배출구(11)를 통해 도 19에서 점선 화살표로 도시된 바와 같은 포집 챔버(5A)의 외부로 배출한다.
포집 기구로서, 검출 장치(100A)의 포집 기구와 유사한 포집 기구가 사용될 수 있다. 구체적으로, 도 19를 참조하면, 포집 기구는 방전 전극(1), 포집 지그(12), 및 고전압 전원(2)을 포함한다. 방전 전극(1)은 고전압 전원(2)의 양극에 전기적으로 연결된다. 포집 지그(12)는 고전압 전원(2)의 음극에 전기적으로 연결된다.
포집 지그(12)는, 예를 들어, 검출 장치(100A)에서와 같이 도전성 투명 코팅부를 갖는 유리판으로 형성된 지지판이다. 포집 지그(12)의 코팅면은 고전압 전원(2)의 음극에 전기적으로 연결된다. 따라서, 방전 전극(1)과 포집 지그(12) 사이에는 전위차가 발생되고, 도 19의 화살표 E로 표시된 방향으로 전기장이 형성된다.
팬(50A)의 구동에 의해 유입구(10)를 통해 도입된 공기중에 부유된 입자들이 방전 전극(1) 근처에서 음으로 대전된다. 음으로 대전된 입자들은 정전기력 때문에 포집 지그(12)를 향해 이동하고, 도전성 코팅부에 의해 유인되어 유지됨으로써, 그 입자들은 포집 지그(12) 상에 포집된다. 여기서, 침상 전극이 방전 전극(1)으로서 사용되기 때문에, 대전된 입자들을, 방전 전극(1)과 마주보는 포집 지그(12)의 발광 소자에 의해 조사된 (후술하는 바와 같은) 조사 영역(15)에 대응하는 매우 좁은 영역 내로 유인하여 유지하는 것이 가능하다. 결과적으로, 후술하는 바와 같은 검출 단계에서, 유인된 미생물을 효율적으로 검출하는 것이 가능하다.
검출 챔버(5B)에 포함된 검출 기구는, 광원으로서의 발광 소자(6); 수광 소자(9); 및 수광 소자(9)에 의한 수광 방향으로 제공되고 포집 기구에 의해 포집 지그(12) 상에 포집된 공기중 입자들에 발광 소자(6)로부터 수광 소자(9)로 향하는 광을 조사하여 발생되는 형광을 포집하는 집광 렌즈(또는 렌즈들)(13)를 포함한다. 검출 기구는, 발광 소자(6)에 의해 발광 방향으로 제공되어 발광 소자(6)로부터의 광 빔을 시준하거나 또는 그 광 빔을 사전 규정된 폭으로 조정하는 렌즈(렌즈들); 개구; 및 조사되는 광 빔이 수광 소자(9)로 유입되는 것을 차단하는 필터(또는 필터들)를 더 포함할 수 있다. 이들 컴포넌트에 통상의 구성이 적용될 수 있다. 집광 렌즈(13)는 플라스틱 수지 또는 유리로 형성될 수 있다.
바람직하게는, 검출 챔버(5B)의 적어도 내측면이 검은색으로 칠해져 있거나 검은색 알루마이트로 처리된다. 이렇게 함으로써 미광의 원인인 내부 벽면으로부터 광이 반사하는 것을 막아 준다. 포집 챔버(5A) 및 검출 챔버(5B)의 물질이 특별히 제한되는 것은 아니지만, 플라스틱 수지, 알루미늄, 스테인리스 강 또는 이들의 조합이 사용되는 것이 바람직할 수 있다. 케이스(5)의 유입구(10) 및 배출구(11)는 직경이 1mm 내지 50mm인 원형 형상을 갖는다. 유입구(10) 및 배출구(11)의 형상은 원형으로 제한되지 않고, 타원형 또는 직사각형일 수 있다.
발광 소자(6)는 검출 장치(100A)의 발광 소자와 유사하다. 발광 소자(6)로부터 방출된 광 빔은 포집 지그(12)의 표면 상에 포집되어, 포집 지그(12) 상에 조사 영역(15)을 형성한다. 조사 영역(15)의 형상은 특별히 제한되지 않으며, 원형, 타원형 또는 직사각형 형상을 가질 수 있다. 조사 영역(15)의 크기가 특별히 제한되는 것은 아니지만, 원형의 직경, 타원형의 장측 길이 또는 직사각형의 한 변의 길이는 약 0.05mm 내지 50mm의 범위 내에 있는 것이 바람직하다.
수광 소자(9)는 신호 처리 유닛(30)에 연결되어 수광된 광의 강도에 비례하는 전류 신호를 신호 처리 유닛(30)으로 출력한다. 그러므로, 도입된 공기중에 부유되고, 포집 지그의 표면 상에 포집되어 발광 소자(6)로부터의 광이 조사된 입자들로부터 방출된 형광이 수광 소자(9)에 의해 수광되고 수광된 광의 강도가 신호 처리 유닛(30)에 의해 검출된다.
포집 지그(12)의 표면을 리프레시(refresh)하는 브러시(60)는 검출 챔버(5B) 내 포집 지그(12)의 표면과 접촉하는 위치에 제공된다. 브러시(60)는 측정 유닛(40)에 의해 제어되는 도시되지 않은 이동 기구에 연결되어 도면에서 양방향 화살표 B로 나타낸 바와 같이 포집 지그(12) 상에서 왕복 운동을 한다. 결과적으로, 포집 지그(12) 상에 있는 먼지 및 미생물은 제거된다.
가열 기구는 검출 장치(100A)의 가열 기구와 동일하다. 검출 장치(100B)에서, 히터(91)는 도 19에 도시된 바와 같이, 방전 전극(1)에서 멀리 떨어진 포집 지그(12)의 표면 상에 배치되는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게, 히터(91)는 도 2b에 도시된 바와 같은 단열재로 둘러싸여 있다. 적절한 단열재로는 유리 에폭시 수지가 있다.
포집 지그(12) 및 히터(91)를 포함하는 유닛은 여기서 포집 유닛(12A)으로 지칭될 것이다. 포집 유닛(12A)은 측정 유닛(40)에 의해 제어되는 도시되지 않은 이동 기구에 연결되어, 도면에서 양방향 화살표 A로 표시된 바와 같이, 즉 벽(5C) 내에 형성된 홀(5C')을 통해, 포집 챔버(5A)로부터 검출 챔버(5B)로 그리고 검출 챔버(5B)로부터 포집 챔버(5A)로 이동한다. 이미 설명된 바와 같이, 히터(91)는 포집 지그(12) 상에 포집된 공기중 입자들의 가열을 허용하는 위치에 배치되고, 적어도 가열시 발광 소자(6) 및 수광 소자(9)를 포함하는 센서 장비와 분리될 수 있으며, 따라서, 히터는 포집 유닛(12A)에 포함되지 않을 수 있고 상이한 위치에 제공될 수 있다. 이러한 가열 동작이 후술하는 바와 같이 포집 챔버(5A) 내에서 일어나면, 히터(91)는 포집 유닛(12A)에는 포함되지 않을 수 있고, 발광 소자(6) 및 수광 소자(9)를 포함하는 센서 장비와 마주보는 포집 지그(12) 측 상에서 포집 유닛(12A)이 포집 챔버(5A) 내에 설정된 위치에 고정될 수 있다. 그러한 배치에 의해, 가열 시간에, 히터(91)는 포집 지그(12)에 의해 발광 소자(6) 및 수광 소자(9)를 포함하는 센서 장비와 분리됨으로써, 발광 소자(6), 및 수광 소자(9) 등에 미치는 열의 영향을 방지할 수 있다. 여기서, 포집 유닛(12A)은 적어도 포집 지그(12)를 포함할 수 있다.
도 20에 도시된 바와 같이, 포집 유닛(12A)의 벽(5C)에서 가장 먼 단부에는, 상향 및 하향 돌출부(projections)를 갖는 덮개(65A)가 제공된다. 홀(5C') 주위에, 포집 챔버(5A)와 마주보는 벽(5C)면 상에, 덮개(65A)에 대응하는 어댑터(65B)가 제공된다. 어댑터(65B)는 덮개(65A)의 돌출부에 꼭 맞는 오목부(recess)를 갖는다. 그러므로, 덮개(65A) 및 어댑터(65B)는 완벽히 결합되어 홀(5C')을 덮는다. 구체적으로, 포집 유닛(12A)이 홀(5C')을 통해 포집 챔버(5A)로부터 검출 챔버(5B)로 도 20의 화살표 A'의 방향으로 이동하고 포집 유닛(12A)이 검출 챔버(5B) 내에 완전히 수용되면, 덮개(65A)는 어댑터(65B)에 끼워지고 따라서 홀(5C')은 완전히 덮히고 검출 챔버(5B)는 차광된다. 따라서, 검출 동작이 검출 챔버(5B) 내에서 수행되면, 검출 챔버(5B)로의 광의 유입이 차단된다.
도 5 내지 도 14를 참조하여 설명된 원리를 이용하여 공기중 미생물을 검출하는 검출 장치(100B)의 기능적 구성은 도 15에 도시된 검출 장치(100A)의 기능적 구성과 실질적으로 동일하다. 검출 장치(100B)의 기능적 구성에 있어서, 구동 유닛(48)은, 검출 장치(100A)의 히터(91), 공기 도입 기구(50) 및 셔터(16A 및 16B)를 대신하여, 팬(50A), 히터(91), 포집 유닛(12A)을 왕복 운동시키는 도시되지 않은 기구 및 브러시(60)를 왕복 운동시키는 도시되지 않은 기구를 구동한다.
포집 챔버(5A)에 도입된 공기중에 부유된 생물학적 입자들의 양을 계산하는 제어 유닛(41)에서의 구체적인 동작이 도 21의 흐름도를 참조하여 설명될 것이다. 여기서, 생물학적 원천의 입자들의 양으로서, 케이스(5)에 도입된 공기중에 부유된 미생물의 농도를 계산하는 것으로 가정한다.
도 21을 참조하면, 검출 장치(100B)의 전원이 ON되면, 단계(S1)에서, 사전 규정된 포집 시간인 시간 △T1 동안 포집 챔버(5A)에서 포집 동작이 수행된다. 단계(S1)에서 구체적인 동작은 다음과 같다. 제어 유닛(41)은 제어 신호를 구동 유닛(48)으로 출력하여 팬(50A)을 구동시켜 공기를 포집 챔버(5A)에 공급하도록 한다. 포집 챔버(5A)에 도입된 공기중 입자들은 방전 전극(1)에 의해 음으로 대전되고, 팬(50A)에 의한 공기 흐름, 및 방전 전극(1)과 포집 지그(12)의 표면 상의 코팅부(3) 사이에 형성된 전기장으로 인해, 그 입자들은 포집 지그(12)의 표면 상의 조사 영역(15)에 대응하는 좁은 영역에 포집된다. 포집 시간 △T1이 경과하면, 제어 유닛(41)은 포집 동작을 종료하고, 즉, 팬(50A)의 구동을 종료한다.
따라서, 시간 △T1 동안, 외부 공기가 유입구(10)를 통해 포집 챔버(5A)에 도입되고, 공기중 입자들은 시간 △T1 동안 포집 지그(12)의 표면 상에 포집된다.
다음에, 단계(S3)에서, 제어 유닛(41)은 제어 신호를 구동 유닛(48)으로 출력하여 포집 유닛(12A)을 이동시키기 위한 기구를 동작하도록 하고, 포집 유닛(12A)은 포집 챔버(5A)로부터 검출 챔버(5B)로 이동된다. 그러한 이동이 종료되면, 단계(S5)에서, 검출 동작이 수행된다. 검출 장치(100A)에서와 같이, 단계(S5)에서, 제어 유닛(41)은 규정된 측정 시간 △T2 동안, 발광 소자(6)가 발광하도록 하고, 수광 소자(9)가 수광하도록 한다. 발광 소자(6)로부터의 광은 포집 지그(12)의 표면 상의 조사 영역(15)으로 향하고, 포집된 입자들로부터 형광이 방출된다. 형광 강도 F1에 따른 전압 값이 측정 유닛(40)에 입력되고 저장 유닛(42)에 저장된다. 이러한 방식으로, 가열 전의 형광 양 S1이 측정된다.
측정 시간 △T2는 제어 유닛(41)에 사전 설정되어 있을 수 있거나, 또는 예를 들어, 스위치(110)의 조작에 의해, 케이블(400)을 통해 통신 유닛(150)에 연결된 PC(300)로부터의 신호에 의해, 또는 통신 유닛(150)에 부착된 기록 매체로부터의 신호에 의해 입력되거나 변경될 수 있다.
이때, LED(도시되지 않음)와 같은 별개의 발광 소자가 제공될 수 있으며, 이 소자로부터 방출되고 입자들이 포집 지그(12)의 표면 상에 포집되지 않은 반사 영역(도시되지 않음)으로부터 반사된 광은 별개의 수광 소자(도시되지 않음)에 의해 포집될 수 있고, 수광된 광의 강도는 기준값 I0으로 사용될 수 있으며 그 값 F1/I0는 저장 유닛(42)에 저장될 수 있다. 기준값 I0에 대한 비율을 계산함으로써, 발광 소자 또는 수광 소자의 습도 및 온도와 같은 환경 조건으로부터, 또는 열화 또는 노화에 의해 야기된 특성 변동에 기인한 형광 강도의 변동을 보상하는 것이 유리하게 가능해진다.
단계(S5)에서 측정 동작이 종료되면, 단계(S7)에서, 제어 유닛(41)은 제어 신호를 구동 유닛(48)으로 출력하여 포집 유닛(12A)을 이동시키기 위한 기구를 이동시키고, 포집 유닛(12A)을 검출 챔버(5B)로부터 포집 챔버(5A)로 이동하도록 한다. 그러한 이동이 종료되면, 단계(S9)에서, 가열 동작이 수행된다. 단계(S9)에서, 검출 장치(100A)에서와 같이, 제어 유닛(41)은 히터(91)가 사전 규정된 가열 시간 △T3 동안 가열하도록 한다. 이때 가열 온도는 사전에 규정된다.
가열 동작 후, 단계(S11)에서, 냉각 동작이 실시된다. 단계(S11)에서, 제어 유닛(41)은 제어 신호를 구동 유닛(48)으로 출력하여 팬(50A)이 사전 규정된 냉각 시간 동안 역방향으로 회전하도록 한다. 외부 공기가 유입될 때 포집 유닛(12A)은 냉각된다. 가열 시간 △T3, 가열 온도 및 냉각 시간은 제어 유닛(41)에 사전에 설정되어 있을 수 있거나, 또는, 예를 들어, 스위치(110)의 조작에 의해, 케이블(400)을 통해 통신 유닛(150)에 연결된 PC(300)로부터의 신호에 의해, 또는 통신 유닛(150)에 부착된 기록 매체로부터의 신호에 의해 입력되거나 변경될 수 있다.
단계(S7)에서 포집 유닛(12A)이 포집 챔버(5A)로 이동된 후, 포집 챔버(5A)에서 가열 동작 및 냉각 동작이 수행되며, 냉각 처리 후, 포집 유닛(12A)은 검출 챔버(5B)로 이동된다. 그러므로, 가열 시간에, 히터(91)는 발광 소자(6) 및 수광 소자(9)를 포함하는 센서 장비와 분리되면서 벽(5C)과도 분리된 거리에 배치되며, 따라서, 발광 소자(6) 및 수광 소자(9)에 미치는 열의 영향을 방지할 수 있다. 히터(91)가 가열시 벽(5C) 등에 의해 발광 소자(6) 및 수광 소자(9)를 포함하는 센서 장비와 분리된 포집 챔버(5A) 내에 있기 때문에, 히터(91)는, 포집 유닛(12A)의 방전 전극(1)에서 멀리 떨어진 표면, 즉, 포집 유닛(12A)이 검출 챔버(5B)로 이동할 때 발광 소자(6) 및 수광 소자(9)에서 멀리 떨어진 표면에 배치되지 않아도 되며, 방전 전극(1)에 가까운 표면에 있을 수 있다.
단계(S9)에서 가열 동작과 단계(S11)에서 냉각 동작이 종료되면, 단계(S13)에서, 제어 유닛(41)은 제어 신호를 구동 유닛(48)으로 출력하여 포집 유닛(12A)을 이동시키기 위한 기구를 동작하도록 하고, 포집 유닛(12A)이 포집 챔버(5A)로부터 검출 챔버(5B)로 이동한다. 그러한 이동이 종료된 후, 단계(S15)에서, 검출 동작이 다시 수행된다. 단계(S15)에서 검출 동작은 단계(S5)에서의 검출 동작과 동일하다. 단계(S15)에서 형광 강도 F2에 따른 전압 값은 측정 유닛(40)에 입력되어 저장 유닛(42)에 저장된다. 이러한 방식으로, 가열 후의 형광 양 S2가 측정된다.
단계(S15)에서 가열 후의 형광 양 S2가 측정된 후, 단계(S17)에서 포집 유닛(12A)의 리프레시 동작이 수행된다. 단계(S17)에서, 제어 유닛(41)은 제어 신호를 구동 유닛(48)으로 출력하여 브러시(60)를 이동시키기 위한 기구를 이동하도록 함으로써, 브러시(60)가 사전 규정된 횟수 동안 포집 유닛(12A)의 표면 상에서 왕복 운동하게 된다. 리프레시 동작이 종료된 후, 단계(S19)에서, 제어 유닛(41)은 제어 신호를 구동 유닛(48)으로 출력하여 포집 유닛(12A)을 이동시키기 위한 기구를 이동하도록 하여, 포집 유닛(12A)이 검출 챔버(5B)로부터 포집 챔버(5A)로 이동한다. 따라서, 시작 명령이 수신되면 다음 포집 동작(S1)이 즉시 시작될 수 있다.
계산 유닛(441)은 저장된 형광 강도 F1 및 F2 간의 차를 증가량 △F로서 계산한다. 검출 장치(100A)에서와 같이, 계산된 증가량 △F, 및 증가량 △F와 사전에 저장된 생물학적 원천의 입자들의 농도(입자 농도) 간의 대응 관계(도 17)를 이용하여 구한, 생물학적 원천의 입자들의 농도가, 시간 △T1 동안 포집 챔버(5A)에 도입된 공기중의 생물학적 원천의 입자들의 농도로서 계산된다. 포집된 입자들 중에서, 계산된 생물학적 입자들 또는 미생물들의 농도는 제어 유닛(41)으로부터 디스플레이 유닛(45)으로 출력되어 검출 장치(100A)에서와 마찬가지 방식으로 디스플레이된다(도 18a, 도 18b).
전술한 바와 같이, 검출 장치(100B)에서, 포집 챔버(5A) 및 검출 챔버(5B)는 구획되고 포집 유닛(12A)은 포집 및 검출 챔버들 사이에서 이동한다. 그러므로, 포집 및 검출을 동시에 수행하는 것이 가능하다. 또한, 전술한 바와 같이, 포집 지그(12)는 포집 챔버(5A) 내에서 가열되고, 냉각된 다음 검출 챔버(5B)로 이동된다. 그러므로, 검출 챔버(5B) 내에 있는 센서 등에 미치는 열의 영향을 방지할 수 있다.
또한, 검출 장치(100B)에서, 포집 유닛(12A)이 포집 단계를 위한 포집 챔버(5A)로부터 검출 단계를 위한 검출 챔버(5B)로 이동할 때, 포집 유닛(12A)에 제공된 덮개는 벽(5C)의 홀(5C')을 닫는다. 따라서, 외부 광이 검출 챔버(5B)에 들어오는 것을 차단한다. 따라서, 예를 들어, 형광 측정 동안 공기중 입자들을 산란시킴으로써 야기되는 미광이 줄어들 수 있고, 측정 정밀도가 개선될 수 있다.
포집 챔버(5A) 및 검출 챔버(5B)가 검출 장치(100B)에서 벽(5C)에 의해 구획된 챔버들로서 제공되지만, 포집 장치와 검출 장치를 완전히 분리된 물체들로서 제공하는 것과, 포집 유닛(12A)을 이러한 장치들 사이에서 이동시키는 것, 또는 포집 유닛(12A)을 각 장치에 설정하는 것도 가능하다. 그 경우, 포집 지그(12)의 가열은 발광 소자(6) 및 수광 소자(9)를 포함하는 센서 장비와 분리된 검출 장치의 외부 위치에서 수행될 수 있다. 예를 들면, 가열은 전술한 바와 같이 포집 챔버(5A)에 대응하는 가열 장치에서, 또는 (예를 들어, 포집 장치부터 검출 장치로 이동하는 중에) 포집 장치 내부 또는 검출 장치 내부와 다른 위치에서 수행될 수 있다. 히터(91)는 포집 유닛(12A)에 포함될 수 있거나 또는 검출 장치의 외부에서 가열을 수행하는 위치에 제공될 수 있다. 또한, 포집 장치 및 검출 장치는 한 세트로서 사용될 수 없으며 각각은 포집 챔버(5A)에 대응하는 단일 장치로서 또는 검출 챔버(5B)에 대응하는 단일 장치로서 사용될 수 있다. 그 경우, 사용되는 장치는 신호 처리 유닛(30), 및 측정 유닛(40) 등에 대응하는 기능들을 포함하도록 개조된다.
또한, 검출 장치(100B)에는, 하나의 포집 유닛(12A)이 제공되며, 양방향 화살표 A로 표시된 왕복 운동에 의해, 그 포집 유닛은 포집 챔버(5A) 및 검출 챔버(5B)로 및 이러한 챔버들로부터 이동한다. 다른 예를 들면, 둘 이상의 포집 유닛들(12A)이 턴테이블 상에 제공될 수 있으며 포집 챔버(5A)와 검출 챔버(5B) 사이에서 테이블이 회전하듯이 이동될 수 있다. 그러한 구성에서, 다수의 포집 유닛들 중 하나를 포집 챔버(5A) 내에 배치하고 다른 하나를 검출 챔버(5B) 내에 배치함으로써, 포집 동작과 검출 동작을 동시에 수행할 수 있다. 이러한 구성에 의해 연속적인 포집 동작과 연속적인 검출 동작이 동시에 가능하다.
전술한 제2 실시 형태에서는, 도 1에 도시된 공기 청정기가 검출 장치(100B)로서 기능하는 것을 가정하여 설명되었다. 그러나, 검출 장치(100B)는 자체적으로 사용될 수도 있다는 점에 주목한다.
이하에서 설명되는 바와 같이, 본 발명자들은 전술한 검출 장치를 사용하여 공기중에 부유된 생물학적 원천의 입자들의 양을 측정함으로써 전술한 사항들을 확인하였다.
(실시예 1)
(1) 측정 도구
본 발명자들은 도 19의 검출 장치(100B)와 구조적으로 유사한 검출 장치(85)를 이용하여 공기중 페니실리움 입자들의 농도와 검출 장치(85)에 의해 측정된 값 사이의 상관 관계를 검사하였다. 검출 장치(85)는 125 mm x 80 mm x 95 mm의 크기를 갖는 포집 챔버(5A), 및 20 리터/min의 흡인 능력을 갖는 팬(50A)을 구비하였다. 발광 소자(6)는 405 nm의 파장을 갖는 레이저 광을 방출하는 반도체 레이저에 의해 구체화되었으며, 수광 소자(9)는 핀 포토 다이오드로서 구체화되었다. 구체적으로, 검출 장치는 신호 처리 유닛(30)의 전압 값을 측정하였다. 이 전압 값은 수광 소자(9)로부터 입력된 수광된 광의 양에 비례하는 전류 신호로부터 신호 처리 유닛(30)에 의해 검출된, 수광 소자(9)에 의해 수광된 광의 양을 나타낸다.
도 22는 본 발명자들에 의해 측정에 사용된 도구의 구성을 개략적으로 도시한다. 도 22를 참조하면, 측정을 위해, 본 발명자들은 1 m3의 용적(volume)을 갖는 아크릴 박스(80) 내에 페니실리움이 배양된 배지(81), 공기 송풍 장치(82)의 배출구, 공기 송풍 팬(83), 검출 장치(85), 및 입자 카운터(84)를 배치하였다. 박스(80)는 두 개의 홀을 구비하되, 하나의 홀에는 HEPA 필터(87)가 구비되고, 다른 홀에는 펌퍼(86)가 구비된다.
(2) 측정 절차
본 발명자들은 전술한 측정 도구를 사용하여 다음의 절차에 따라 측정을 수행하였다.
<단계 1> 펌프(86)가 동작하여 도 22에서 화살표 A'로 표시된 방향으로 박스(80) 내의 공기를 흡인한다. 이것은 박스(80) 외부 공기를 도 22에서 화살표 A로 표시된 방향으로 끌어당겨서, 그 공기를 HEPA 필터(87)에 통과시켜 그 공기를 박스(80) 내에 도입하게 해준다. 펌프(86)는 수분 동안 지속적으로 동작하고 그 후 직경이 0.5 마이크로미터 이상인 입자가 존재하지 않는다는 것을 입자 카운터(84)로 확인하고, 그 후 펌프(86)는 중단된다.
<단계 2> 공기 송풍 장치(82)가 동작하여 그로부터 배지(81)의 표면으로 공기를 송풍한다. 이것은 배지(81)의 표면 상에 형성된 페니실리움 포자(spores)(88)가 공기중에 날아가게 해준다. 이때, 팬(83)도 동작한다. 이것은 박스(80) 내에 있는 페니실리움 포자(88)를 실질적으로 균일하게 분산시켜 준다.
<단계 3> 입자 카운터(84)를 이용하여 검출(단계 4) 전에 박스(80) 내에 있는 페니실리움 포자의 양 N1을 측정한다.
<단계 4> 검출 장치(85)는 페니실리움 포자를 측정하는 도 21의 흐름도에 도시된 절차와 유사한 절차로 동작한다. 더욱 상세히 말하면, 박스(80) 내에 있는 페니실리움 포자는 다음의 동작을 통해 측정된다.
(단계 4-1) 검출 장치(85)에서 포집 지그(12)를 포집 챔버(5A)로 이동시킨다.
(단계 4-2) 팬(50)이 동작하고 10 kV의 전압을 포집 지그(12)와 방전 전극(1) 사이에 인가하여 박스(80) 내의 페니실리움 포자(88)를 포집 챔버(5A)로 도입하여 이들을 포집 지그(12)의 표면 상에 포집한다.
(단계 4-3) 15 분 동안 그와 같이 포집한 후, 팬(50)이 중단되고 포집 지그(12)는 포집 챔버(5A)로부터 검출 챔버(5B)로 이동된다.
(단계 4-4) 포집 지그(12)는 그 표면을 반도체 레이저 또는 발광 소자(6)로부터 방출된 405 nm의 청색 광에 노출시킨다.
(단계 4-5) 포집 지그(12)의 표면 상에 포집된 페니실리움 포자는 수광 소자(9)에 의해 수광된 형광 양 S1을 방출하고, 그 전압 값이 검출 장치(85)에 연결된 개인용 컴퓨터(도시되지 않음)에 저장된다.
(단계 4-6) 포집 지그(12)는 검출 챔버(5B)로부터 포집 챔버(5A)로 이동된다.
(단계 4-7) 히터(91)를 구체화하는 마이크로세라믹 히터 등이 동작하여 200℃에서 5분 동안 포집 지그(12)의 표면을 가열한다.
(단계 4-8) 히터(91)의 동작이 중단되고, 팬(50)이 동작하여 3분 동안 냉각시킨다.
(단계 4-9) 포집 지그(12)는 포집 챔버(5A)로부터 검출 챔버(5B)로 이동되고, 단계 4-2 내지 단계 4-5를 통해 수행된 바와 마찬가지로, 수광 소자(9)에 의해 수광된 형광 양 S2가 측정되고 그 전압 값이 개인용 컴퓨터에 저장된다.
(단계 4-10) 가열 전후에 측정된 전압 값들 간의 차 △F가 검출 장치(85)에 의해 검출된 값으로서 계산된다.
<단계 5> 입자 카운터(84)를 이용하여 검출(단계 4) 후의 박스(80) 내의 페니실리움 포자의 양 N2를 측정하고, 양들 N1 및 N2(예를 들어 평균값이 계산되고 그리고)로부터 검출시 박스(80) 내의 페니실리움 포자의 양을 구하여, (1 m3의) 박스(80)의 용적으로 나누어 검출시 박스(80) 내의 페니실리움 포자의 농도 N(단위: 10,000 포자/m3)을 계산한다.
(3) 측정 결과
도 23은 실시예 1에서의 측정 결과를 도시한다. 본 발명자들은, 매 측정마다, 포집 지그(12)의 표면을 유리 섬유 브러시로 리프레시하거나 또는 사용된 포집 지그(12)를 새로운 포집 지그(12)로 교체하도록 박스(80) 내의 페니실리움의 농도 N가 상이한 경우마다 전술한 절차로 측정치를 획득하였다. 결과적인 측정치는 도 23에 도시된 바와 같이, 검출시 박스(80) 내의 페니실리움의 농도 N의 결과적인 측정치를 나타내는 가로 좌표축과 검출 장치(85)에 의해 검출된 값, 즉 가열 전후의 전압 차 △F를 나타내는 세로 좌표축을 갖는 것으로 도시되었다. 도 23의 측정치는 그들 사이에 선형적인 상관 관계가 있다는 것을 보여준다. 따라서, 전술한 실시 형태에서 설명된 본 검출 장치를 통해 생물학적 원천의 입자 형태의 미생물들을 정밀하게 검출할 수 있다는 것을 확인하였다.
(실시예 2)
본 발명자들은 실시예 1과 유사한 측정 도구 및 절차를 이용하여 삼나무 꽃가루에 대한 측정치를 유사하게 획득하였다. 실시예 2에서는, 페니실리움이 배양된 실시예 1의 배지(81)를 일 단부에 필터가 제공되고 대향 단부들이 개방된 원통형 꽃가루 분사 장치로 대체하여 측정이 수행되었다는 점에 주목한다.
전술한 단계 2에서, 공기 송풍 장치(82)가 동작하여 실린더 외부 공기를 필터에 가까운 일 단부로부터 실린더 내부를 향해 꽃가루가 도입된 꽃가루 분사 장치로 송풍한다. 이것은 실린더 내의 꽃가루가 공기중에 날아가게 해준다.
도 24는 실시예 2에서의 측정 결과를 도시한다. 도 23에서 수행된 바와 마찬가지로, 결과적인 측정치가, 도 24에 도시된 바와 같이, 검출시 박스(80) 내의 페니실리움의 농도 N의 결과적인 측정치를 나타내는 가로 좌표축과 검출 장치(85)에 의해 검출된 값, 즉 가열 전후의 전압 차 △F를 나타내는 세로 좌표축을 갖는 것으로 도시되었다. 도 24의 측정치는 그들 사이에 선형적인 상관 관계가 있다는 것을 보여준다. 따라서, 전술한 실시 형태에서 설명된 본 검출 장치를 통해 생물학적 원천의 입자 형태의 미생물들을 정밀하게 검출할 수 있다는 사실을 확인하였다.
또한, 실시예 1 및 2로부터, 본 검출 장치는 생물 활동을 행하는 미생물 및 꽃가루를 포함하는, 생물학적 원천의 입자들, 또는 그 입자들이나 그 입자들의 일부가 공기 중에 있게 하는 크기를 갖는 그 일부를 정밀하게 검출할 수 있다는 것을 확인하였다.
본 발명이 상세히 설명되고 예시되었지만, 이것은 예시를 든 것이고 단지 예에 불과하며, 제한하는 것으로 해석되지 않아야 함이 명확히 이해되며, 본 발명의 범주는 첨부의 특허청구범위의 내용에 의해 해석된다.
1: 방전 전극
2: 고전압 전원
3: 코팅부
4: 지지판
5: 케이스
5A: 포집 챔버
5B: 검출 챔버
5C: 벽
5C': 홀
6: 발광 소자
7: 렌즈
8: 개구
9: 수광 소자
10: 유입구
10A: 차광부
10a, 10b: 차광판
11: 배출구
11A: 차광부
12: 포집 지그
13: 포집 렌즈
14: 필터
15: 조사 영역
16A, 16B: 셔터
20: 포집 센서 기구
30: 신호 처리 유닛
34: 전류-전압 변환 회로
35: 증폭 회로
40: 측정 유닛
41: 제어 유닛
42: 저장 유닛
43: 클럭 생성 유닛
44: 입력 유닛
45: 디스플레이 유닛
46: 외부 연결 유닛
48: 구동 유닛
50: 공기 도입 기구
50A, 83: 팬
51: 오목부
71-78: 곡선
80: 박스
81: 배지
82: 공기 송풍 장치
84: 입자 카운터
86: 펌프
87: HEPA 필터
91: 히터
85, 100, 100A, 100B: 검출 장치
110: 스위치
130: 디스플레이 패널
150: 통신 유닛
300: PC
400: 케이블
411: 계산 유닛
2: 고전압 전원
3: 코팅부
4: 지지판
5: 케이스
5A: 포집 챔버
5B: 검출 챔버
5C: 벽
5C': 홀
6: 발광 소자
7: 렌즈
8: 개구
9: 수광 소자
10: 유입구
10A: 차광부
10a, 10b: 차광판
11: 배출구
11A: 차광부
12: 포집 지그
13: 포집 렌즈
14: 필터
15: 조사 영역
16A, 16B: 셔터
20: 포집 센서 기구
30: 신호 처리 유닛
34: 전류-전압 변환 회로
35: 증폭 회로
40: 측정 유닛
41: 제어 유닛
42: 저장 유닛
43: 클럭 생성 유닛
44: 입력 유닛
45: 디스플레이 유닛
46: 외부 연결 유닛
48: 구동 유닛
50: 공기 도입 기구
50A, 83: 팬
51: 오목부
71-78: 곡선
80: 박스
81: 배지
82: 공기 송풍 장치
84: 입자 카운터
86: 펌프
87: HEPA 필터
91: 히터
85, 100, 100A, 100B: 검출 장치
110: 스위치
130: 디스플레이 패널
150: 통신 유닛
300: PC
400: 케이블
411: 계산 유닛
Claims (15)
- 생물학적 원천(biological origin)의 공기중 입자들(airborne particles)을 검출하는 검출 장치로서,
발광 소자;
형광(fluorescence)을 수광하는 수광 소자; 및
상기 검출 장치에 도입된 공기에 상기 발광 소자로부터 방출된 광이 조사될 때 상기 수광 소자에 의해 수광되는 형광 양에 기초하여, 상기 도입된 공기중의 생물학적 원천의 입자들의 양을 계산하는 계산 유닛을 포함하고,
상기 계산 유닛은 상기 입자들을 가열하기 전후에 수광된 광의 양의 변화에 기초하여, 상기 도입된 공기중의 상기 입자들의 양을 계산하는, 검출 장치. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 입자들을 가열하는 히터를 더 포함하는, 검출 장치. - 제3항에 있어서,
상기 히터에 의한 가열 양을 제어하는 제어 유닛을 더 포함하는, 검출 장치. - 제4항에 있어서,
상기 제어 유닛에 명령을 입력하는 입력 유닛을 더 포함하는, 검출 장치. - 제1항에 있어서,
상기 계산 유닛은 상기 수광된 광의 상기 양의 변화, 및 상기 형광의 변화량과 사전에 저장된 상기 생물학적 원천의 입자들의 양 사이의 관계에 기초하여, 상기 도입된 공기중의 상기 생물학적 원천의 상기 입자들의 양을 계산하는, 검출 장치. - 제1항에 있어서,
포집 부재; 및
상기 포집 부재에 의해 상기 도입된 공기중의 입자들을 포집하는 포집 기구를 더 포함하며,
상기 계산 유닛은, 상기 발광 소자로부터 방출된 광으로 조사된 상기 포집 부재로부터 수광된 형광 양에 기초하여, 상기 포집 부재에 의해 포집된 상기 생물학적 원천의 입자들의 양을 계산하는, 검출 장치. - 제7항에 있어서,
상기 발광 소자는 상기 포집 부재를 향하는 방향으로 광이 방출되도록 배치된, 검출 장치. - 제7항에 있어서,
상기 포집 부재를 가열하는 히터를 더 포함하며, 상기 계산 유닛은, 상기 포집 부재의 가열 전후에 상기 수광된 광의 양의 변화에 기초하여, 상기 포집 부재에 의해 포집된 상기 생물학적 원천의 입자들의 양을 계산하는, 검출 장치. - 제7항에 있어서,
상기 포집 기구를 수용하는 포집 챔버;
상기 포집 챔버와 분리되고 상기 발광 소자 및 상기 수광 소자를 수용하는 검출 챔버; 및
상기 포집 챔버에 배치된 상기 포집 부재를 상기 검출 챔버로 이동시키고, 상기 검출 챔버에 배치된 상기 포집 부재를 상기 포집 챔버로 이동시키는 이동 기구를 더 포함하는, 검출 장치. - 제7항에 있어서,
상기 포집 부재를 세정(cleaning)하는 세정 유닛을 더 포함하는, 검출 장치. - 제1항에 있어서,
상기 계산 유닛에 의한 계산 결과를 측정 결과로서 디스플레이하는 디스플레이 유닛을 더 포함하는, 검출 장치. - 제1항에 있어서,
상기 발광 소자는 생물(living organism) 내 물질을 여기할 수 있는 파장 범위의 광을 방출하는, 검출 장치. - 제13항에 있어서,
상기 발광 소자는 300 nm 내지 450 nm의 파장 범위의 광을 방출하는, 검출 장치. - 포집 부재에 의해 포집된 생물학적 원천의 입자들을 검출하는 방법으로서,
발광 소자로부터 방출된 광으로 조사된 가열 전의 상기 포집 부재의 형광 양을 측정하는 단계;
상기 발광 소자로부터 방출된 광으로 조사된 가열 후의 상기 포집 부재의 형광 양을 측정하는 단계; 및
가열 전에 상기 포집 부재로부터 측정된 상기 형광 양과 가열 후에 상기 포집 부재로부터 측정된 상기 형광 양의 변화량에 기초하여, 상기 포집 부재에 의해 포집된 생물학적 원천의 입자들의 양을 계산하는 단계
를 포함하는, 검출 방법.
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