KR101412492B1 - 용존산소 측정용 미세전극 및 그 제작 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 해저에 서식하는 저서성 미세조류의 일차생산 영향 연구에 보다 더 적합한 용존산소 측정용 미세전극 및 그 제작 방법에 관한 것이다. 이를 위한 본 발명은, 용존산소 측정용 미세전극에 있어서, 산소의 환원반응이 일어나는 작동전극; 상기 작동전극에 대응하는 기준전극; 전해질로부터 오는 산소가 상기 작동전극에 도달하기 전에 상기 산소를 제거해 주기 위한 보조전극; 상기 작동전극에서 산소가 환원반응을 일으키도록 유리관 내에 충진된 전해질; 및 상기 작동전극, 기준전극 및 보조전극이 내장되며, 상기 전해질이 충진되는 외부 케이스를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

용존산소 측정용 미세전극 및 그 제작 방법 {Oxygen microelectrode for measuring dissolved oxygen in marine environment and manufacturing method thereof}
본 발명은 저서환경 연구에 사용되는 용존산소 측정용 미세전극 및 그 제작 방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 해저에 서식하는 저서성 미세조류의 일차생산 영향 연구에 보다 더 적합한 전류측정식 미세전극으로 실리콘막을 투과한 산소가 전해질 내의 양극에서 환원반응을 일으키며, 이때 발생한 전류를 측정하는 방식의 용존산소 측정용 미세전극 및 그 제작 방법에 관한 것이다.
당업자에게 잘 알려져 있는 바와 같이, 미생물생태학 분야에서 사용되는 미세전극은 끝의 크기가 1-20 마이크로미터 정도인 바늘 형태로 되어 있고 특정 화합물의 농도를 측정하는 기구이다.
미세전극 끝의 좁은 반응 범위로 인해 바이오필름(biofilm), 플록(floc), 미생물집합체(aggregates), 미생물매트(microbial mats), 퇴적물(sediment) 등에서 국부적인 측정이 가능하다. 미세전극이 시료에 투입되기는 하지만 작은 끝 직경으로 인해 구조나 생물활동에 영향이 적다.
미세전극은 전류측정(amperometric), 전압측정(voltammetric), 전위차측정(potentiometric), 광학측정(optical) 방식 등 네 가지 형태의 미세전극이 있다.
전류측정식 미세전극은 분석 대상 물질의 농도에 비례하여 미세전극 끝에서 일어나는 전기화학적인 산화 또는 환원 반응에 의해 생성된 전류를 측정하는 방식이다.
전류측정식 미세전극에는 산소미세전극이 포함된다. 산소미세전극 기술은 저서미세조류가 서식하는 퇴적물 수 밀리미터 내에서 일어나는 용존산소 농도 변화를 통해 저서(benthic) 미세조류의 일차생산을 측정하는 기술이다.
저서미세조류는 해저에 서식하는 저서성 미세조류이다. 미세조류와 관련한 내용은 공개특허번호 10-2007-0056619에 공개되어 있다.
산소미세전극의 원리는 양극에서 산소 환원을 측정하는 것에 기반을 두고 있다. 산소미세전극의 끝(tip)은 1-100 마이크로미터 정도이며, 관리 여부에 따라 수명은 1년 정도이다. 산소미세전극은 비교적 안정적이며, 칼슘, 마그네슘, 피에이치 의 영향을 받지 않는다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 해저에 서식하는 저서성 미세조류의 일차생산 영향 연구에 보다 더 적합한 용존산소 측정용 미세전극 및 그 제작 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 용존산소 측정용 미세전극은, 산소의 환원반응이 일어나는 작동전극; 상기 작동전극에 대응하는 기준전극; 전해질로부터 오는 산소가 상기 작동전극에 도달하기 전에 상기 산소를 제거해 주기 위한 보조전극; 상기 작동전극에서 산소가 환원반응을 일으키도록 유리관 내에 충진된 전해질; 및 상기 작동전극, 기준전극 및 보조전극이 내장되며, 상기 전해질이 충진되는 외부 케이스를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 작동전극은 산소의 환원반응이 일어나는 백금선, 상기 백금선을 둘러싼 녹색유리관 및 상기 녹색유리관을 지지해주는 지지유리관을 포함한다.
바람직하게는, 상기 백금선은 45 내지 55 마이크로미터의 백금선을 식삭(etching)하여 그 끝을 9 내지 11 마이크로미터로 한다.
바람직하게는, 상기 전해질은 1 M KCl, 0.3 M K2CO3, 0.2 M KHCO3로 구성된다.
그리고, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 용존산소 측정용 미세전극 제작 방법은, 백금선을 식삭하여 유리관에 봉입 후 코팅하는 과정으로 작동전극을 제작하는 단계; 상기 작동전극을 내장하기 위한 외부 케이스를 제작하는 단계로서, 파스츄어 피펫을 토치로 달궈 1차 모세관을 만들고 W자 칸탈선으로 2차 모세관을 만든 후에 백금선으로 만든 미세열선으로 상기 모세관의 끝을 녹여 상기 외부 케이스의 끝을 제작하는 외부 케이스 제작 단계; 은선을 염산 용액에 담가 기준전극을 만드는 기준전극 제작 단계; 은선을 식삭하고 그 끝을 정해진 가늘기로 만든 후에 모세유리관에 넣어 보조전극을 만드는 보조전극 제작 단계; 상기 외부 케이스에 상기 작동전극, 기준전극 및 보조전극을 삽입한 후, 전해질을 주입하고 밀봉하는 결합 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 용존산소 측정용 미세전극 및 그 제작 방법에 따르면, 해저에 서식하는 저서성 미세조류의 일차생산 영향 연구를 보다 더 효과적으로 수행할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 용존산소 측정용 미세전극의 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 용존산소 측정용 미세전극 제작 방법의 흐름도이다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 용존산소 측정용 미세전극 제작 방법에 따른 단계별 제작품의 구성도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 용존산소 측정용 미세전극 및 그 제작 방법의 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이며, 종래기술의 구성부재와 동일한 구성부재를 사용하는 경우에는 동일한 부재를 사용할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 용존산소 측정용 미세전극(100)은 작동전극(working cathode)(110), 기준전극(anode)(120), 보조전극(guard cathode)(130), 전해질(electrolyte)(140), 외부케이스(outer casing)(150)를 포함하여 이루어진다.
작동전극(110)은 용존산소의 환원반응이 일어나는 백금선(112), 백금선(1120)을 둘러싼 녹색유리관(114) 및 녹색유리관(114)을 지지해주는 지지유리관(116)을 포함하여 이루어진다.
백금선(112)은 직경 45 내지 55 마이크로미터의 백금선을 식삭하여 그 끝을 9 내지 11 마이크로미터 정도로 만든 후에 가는 녹색유리관(114)에 넣어 코팅하여 만든다.
코팅된 백금선(112)의 끝은 열선을 이용하여 벗겨낸 후에 금 용액에 담가 금 코팅(118)을 한다.
기준전극(120)은 0.25 밀리미터 은선을 1M 염산에 담가 만든다.
보조전극(130)은 전해질(140)로부터 오는 산소가 작동전극(110)에 도달하기 이전에 제거해주는 역할을 하는데, 0.12 밀리미터 은선(132)을 식삭하고, 그 끝을 10 마이크로미터 정도로 만든 후에 모세유리관에 넣어 만든다.
전해질(140)은 바람직하게 KCl, K2CO3, KHCO3 등을 포함하여 구성된다.
외부케이스(150)는 파스퇴르 피펫 끝을 10 - 15 마이크로미터 정도로 만든 후에 끝에 실리콘을 삽입하여 실리콘막을 만든다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 용존산소 측정용 미세전극의 제작 방법을 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 용존산소 측정용 미세전극의 제작 방법은 작동전극 제작 단계(S100); 외부케이스 제작 단계(S200); 보조전극 및 기준전극 제작 단계(S300); 작동전극, 보조전극 및 기준전극 결합 단계(S400)로 이루어진다.
1. 작동전극(working cathode) 제작 과정(S100):
작동전극(110)은 산소의 환원반응이 일어나는 백금선(1120), 백금선(112)을 둘러싼 녹색유리관(114), 그리고 녹색유리관(114)을 지지해주는 지지유리관(116)으로 구성된다.
i) 작동전극용 유리관 준비 (S110)
작동전극용 유리관은 백금선(112)을 둘러싸는 녹색유리관(114)과 이를 지지해주는 유리관(116)으로 이루어진다.
상기 유리관(114)(116)은 용존산소 측정용 미세전극 제작에 앞서 15 cm 정도로 절단한 후에 0.1 M HCl에 하루 동안 담갔다가 증류수로 5회 이상 세척한 후에 건조기에서 충분히 건조시키는 것이 바람직하다.
ii) 백금선 식삭(etching) (S120)
본 발명의 용존산소 측정용 미세전극(100)의 작동전극(110) 끝은 백금선(112)을 사용한다. 작동전극(110) 제작에 이용한 백금선(112)은 직경은 바람직하게 0.05 밀리미터이며, 순도는 99.9 퍼센트로 한다.
백금선(1120)을 식삭하기 위하여 가변교류전압기로 전원을 공급하고 직경 3 센티미터, 높이 5 센티미터의 원통형 아크릴 용기에 1M KCN을 넣고, 한쪽 끝에는 직경 0.5 센티미터, 길이 10 센티미터 가량의 흑연심을 물리고, 다른 쪽 끝에는 백금선을 물린다.
백금선을 8 센티미터 가량 잘라 6 볼트에서 3 센티미터 정도를 약 20초간 KCN에 담그면 끝이 없어지기 시작하는데, 이때 꺼내어 증류수로 씻고 바로 녹색유리관(114)에 삽입한 후에 제대로 제작되었는지 광학현미경으로 관찰한다.
iii) 백색유리관 준비 및 결합 (S130)
녹색유리관(114)을 지지해줄 유리관(shaft glass)(116)을 백색유리관(AR glass, Schott 8350, Schott Rohrglass GmbH, Germany, OD: 5.0 mm, ID: 4.0 mm)를 이용하여 제작한다.
상기 백색유리관(AR glass)를 15 센티미터 가량 자른 후에 중앙 부위를 토치를 이용하여 5초간 가열하여 빨갛게 되면 양쪽으로 잡아당긴다. 오목한 부분을 2 센티미터 남기고 자른다.
녹색유리관(114)과 지지유리관(116)을 맞물려 놓고 토치로 가열한 후 녹색유리관이 빨갛게 달궈지면 서서히 녹이면서 접합한다.
iv) 백금선 코팅 (S140)
iii) 단계까지 제작한 유리관을 미세조작기(micromanipulator)(미도시)에 모세관 부분이 위로가게 장착한다.
W자 열선에 지지유리관(116)을 녹색유리관(114)의 접합부분보다 약 2 센티미터 위에 위치하도록 한다. 그리고 실제 현미경으로 관찰하면서 오른손에는 교류전원공급기 스위치를 잡고 왼손으로는 미세조작기의 상하 조절 나사를 잡는다. 전압을 서서히 올리면서 녹색유리관(114)이 녹기 시작하면 전압을 살짝 내린다. 그 다음 상하조절 나사를 이용하여 녹색유리관(114)이 녹으면서 떨어지기 용이하도록 유리관을 살짝 내려준다. 녹색유리관(114)이 녹아떨어지면 광학현미경하에서 제대로 코팅되었는지, 기포가 발생하지 않았는지 관찰한다.
v) 헤어핀 제거 (S150)
녹색유리관(114)으로 코팅되면서 백금선(112)이 녹색유리관의 끝보다 더 많이 코팅이 되므로 그 부분을 벗겨 내줘야 한다. 현미경 재물대 왼쪽에 코팅된 유리관을 놓고, 오른쪽에 백금선 열선을 장치한다.
헤어핀이 긴 경우에는 핀셋으로 1차 제거한다. 열선을 고정시키고, 재물대를 움직여 백금선(112)이 5 마이크로미터 정도 노출되도록 한다. 작업 후에는 고무마개를 끼워 시험관에 보관한다.
vi) 금 코팅(gold plating) (S160)
현미경 하에서 헤어핀을 제거한 유리관을 왼쪽에 놓고, 오른쪽에 금이 담긴 파스츄어 피펫을 놓은 후에 재물대를 움직여 유리관 끝이 금 용액에 담기도록 해서 백금선의 끝에 금이 코팅되게 한다.
2. 외부케이스(outer casing) 제작 과정(S200)
i) 외부 케이스 끝 제작 (S210)
파스츄어 피펫을 토치로 달궈 1차 모세관을 만들고, W자 칸탈선으로 2차 모세관을 만든 후에 백금선으로 만든 미세열선으로 끝을 녹여 끝이 약 5 마이크로미터가 되게 한다.
끝이 막혀 있는 경우는 브레이커를 이용하여 깨고 미세균열이 생겼을 경우에는 백금 열선으로 녹여서 균열을 제거한다.
ii) 실리콘 삽입 (S220)
용존산소 측정용 미세전극 투과막은 산소를 선택적으로 투과시키는 실리콘(Silastic Medical Adhesive Silicone, Type A, Dowcorning, 미국)을 사용한다.
현미경 하에서 왼쪽에 외부케이스(150)를 놓고 오른쪽에 실리콘을 묻힌 파스츄어피펫을 놓고 재물대대를 움직여서 외부케이스(150) 끝에 실리콘을 묻힌다.
실리콘 투과막 두께는 5 마이크로미터 정도가 되게 한다. 사용하기 전에 하룻밤 정도 두어 실리콘이 마르도록 하는 것이 바람직하다.
3. 보조전극 및 기준 전극 제작 과정 (S300)
i) 보조전극(guard cathode) 제작 (S310)
유리관을 토치로 녹여서 직경 0.5 밀리미터 가량의 모세관을 만들어서 0.12 밀리미터 은선(132)을 집어넣어서 한쪽은 8센티미터가 되게 하고, 다른 쪽은 3센티미터가 되게 한다.
8센티미터 쪽 모세관은 에폭시(134)로 밀봉하고 백금선 식삭 방법과 동일한 방법으로 식삭한다.
ii) 기준전극(Ag/AgCl reference anode) 제작 (S320)
비이커에 염산을 담고, 배터리박스로 연결된 두개의 전선에 각각 0.25 밀리미터 은선(122)을 담근다. 갈색으로 변하면 기준 전극(120)이 완성된 것으로 한다.
4. 작동전극, 보조전극, 기준 전극 결합 과정 (S400)
i) 작동전극 삽입 (S410)
현미경 재물대 왼쪽에 외부케이스(150)를 놓고 먼저 작동전극(110)을 손으로 집어넣은 후에 현미경하에서 관찰하면서 푸셔를 이용하여 집어넣어서 실리콘 투과막과 작동전극(112) 끝 사이가 30 마이크로미터 정도가 되도록 하고 윗 부분을 에폭시로 고정한다.
ii) 보조전극 및 기준전극 삽입 (S420)
보조전극(130)을 집어넣어서 작동전극(110) 끝으로부터 200 마이크로 정도 되게 한다. 기준전극(120)을 삽입하고 에폭시로 고정한다.
iii) 전해질 주입 및 밀봉 (S430)
용존산소 측정용 미세전극 전해질(140)은 바람직하게 1 M KCl, 0.3 M K2CO3, 0.2 M KHCO3로 만든다. 전해질(140) 소량을 넣고 데시케이터에 넣고 에어펌프로 진공상태로 만들어 전해질이 미세전극 끝까지 들어가도록 한다. 이후에 전해질을 추가로 넣고 에폭시로 고정한다.
지금까지, 본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100: 용존산소 측정용 미세전극
110: 작동전극
120: 기준전극
130: 보조전극
140: 전해질
150: 외부케이스

Claims (9)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 용존산소 측정용 미세전극 제작 방법에 있어서,
    0.1 M HCl에 담갔다가 증류수로 5회 이상 세척한 후 건조시킨 녹색유리관과 지지유리관을 준비하고, 직경 45 내지 55 마이크로미터의 백금선을 식삭하여 끝을 9 내지 11 마이크로미터로 만들어 구비하되, 토치로 가열하여 녹색유리관과 지지유리관을 접합한 후, 녹색유리관에 백금선을 넣어 코팅하되, 코팅된 백금선의 끝은 열선을 이용하여 벗겨낸 후 금 용액에 담가 금 코팅을 수행하는 과정으로 작동전극을 제작하는 단계;
    상기 작동전극을 내장하기 위한 외부 케이스를 제작하는 단계로서, 파스츄어 피펫을 토치로 달궈 1차 모세관을 만들고 W자 칸탈선으로 2차 모세관을 만든 후에 백금선으로 만든 미세열선으로 상기 모세관의 끝을 녹여 외부 케이스의 끝을 제작하고, 상기 외부케이스의 끝에 실리콘을 묻혀 실리콘 투과막을 만들되 5 마이크로미터의 두께로 형성하는 과정으로 외부 케이스를 제작하는 단계;
    0.25 밀리미터 은선을 염산 용액에 담가 기준전극을 만드는 기준전극 제작 단계;
    0.12 밀리미터 은선을 식삭하여 그 끝을 10 마이크로미터로 한 후에 모세유리관에 넣어 보조전극을 만드는 보조전극 제작 단계;
    상기 외부 케이스에 상기 작동전극, 기준전극 및 보조전극을 삽입한 후, 전해질을 주입하고 밀봉하는 결합 단계; 를 포함하며,
    상기 외부케이스에 삽입되는 작동전극은 그 끝과 실리콘 투과막 사이가 30 마이크로미터가 되게 하고,
    상기 외부케이스에 삽입되는 보조전극은 작동전극의 끝으로부터 200 마이크로 사이를 갖게 하고,
    상기 전해질은 1 M KCl, 0.3 M K2CO3, 0.2 M KHCO3로 조성된 것을 주입하는 것을 특징으로 하는 용존산소 측정용 미세전극 제작 방법.
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