KR101466301B1 - Microfluidic chips for continuous monitoring of chromium in water having chemiluminesence measurement apparatus having thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 측면에 따른 미세유체칩은 시료와 시약을 혼합하는 환원채널과 시약들을 혼합하는 시약 혼합채널, 및 일측 단부에 상기 환원채널과 상기 시약 혼합채널이 병렬로 연결되고 타측 단부에 배출구가 연결된 검출채널이 형성된 제1 기판, 및 상기 검출채널과 마주하며 빛이 투과하도록 형성된 검출부를 구비하며 상기 제1기판에 결합되는 제2기판을 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a microfluidic chip comprising: a reagent mixing channel for mixing a sample with a reagent and a reagent mixing channel for mixing the reagent and a reagent mixture channel; a reductant channel and a reagent mixing channel are connected in parallel at one end, And a second substrate coupled to the first substrate, the first substrate having a detection channel formed thereon, and a detection unit facing the detection channel and configured to transmit light.
Description
본 발명은 화학발광법을 이용하여 수중에 존재하는 크롬의 농도를 연속적으로 모니터링하기 위한 미세유체칩 및 이를 포함하는 크롬 검출 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a microfluidic chip for continuously monitoring the concentration of chromium present in water using a chemiluminescence method and a chromium detection device including the microfluidic chip.
크롬은 합금, 안료, 피혁, 직물공업, 촉매, 목재 방부제 등에 주로 사용되는 물질로 화학적으로 안정한 성질 때문에 금속의 부식을 막기 위한 도금 재료로도 많이 사용된다. 상기한 공업활동이 증가함에 따라 크롬의 방출로 인해 지표수 및 지하수가 오염된다.Chromium is mainly used in alloys, pigments, leather, textile industry, catalysts, wood preservatives, etc. Because of its chemical stability, it is widely used as plating material to prevent metal corrosion. As the above-mentioned industrial activities increase, surface water and groundwater are contaminated due to the release of chromium.
자연상태의 크롬 이온은 다양한 산화가로 존재하지만 수중에는 가장 안정한 크롬[Ⅲ]와 크롬[Ⅳ]만이 존재한다. 크롬[Ⅲ]는 포도당, 콜레스테롤, 지방 대사에 관여하는 필수영양소로 부족할 경우 체중이 감소하고, 혈액에서 포도당을 제거하는 기능에 손상을 준다. 그리고 장시간 피부에 노출되었을 경우 알레르기 또는 암을 유발할 수 있다. 그러나 물에 대한 용해도와 생체막에 대한 투과성이 낮아 독성은높지 않은 것으로 알려져 있다. 이와는 달리 크롬[Ⅳ]는 물에 대한 용해도와 이동성이 높고, 산화력과 생체막에 대한 투과성이 높아 신장, 간, 폐 등의 여러 장기에 좋지 않은 영향을 주며, 피부 또는 점막에 염증을 일으키는 것으로 알려져 있다.Chromium ions in natural state exist in various oxidation states, but only the most stable chromium [III] and chromium [IV] exist in water. Chromium [III] is deficient in the essential nutrients involved in glucose, cholesterol, and fat metabolism, which reduces body weight and impairs the ability to remove glucose from the blood. And if exposed to skin for a long time, it may cause allergy or cancer. However, it is known that the toxicity is not high due to low solubility in water and permeability to biomembrane. On the other hand, chromium [IV] is known to have high solubility and mobility in water, high oxidative power and high permeability to biological membranes, which adversely affects various organs such as kidney, liver and lungs and causes inflammation of the skin or mucosa .
상기한 바와 같이 크롬[Ⅲ]와 크롬[Ⅳ]의 서로 다른 특성과 독성 때문에 이들 각각의 농도를 정확히 분석하는 것이 매우 중요하다. 특히 크롬[Ⅲ]와 크롬[Ⅳ]는 환경에 따라 산화-환원 반응을 통해 서로 쉽게 바뀌므로 수질의 지속적인 모니터링이 필요하다. 우리나라의 경우 수질오염물질 배출허용기준에 따르면 청정지역 내에 허용되는 총크롬의 농도를 0.5 ppm, 그 외의 지역은 2 ppm 이하로 규제하고 있으며, 크롬[Ⅳ]의 농도는 청정지역에서 0.1 ppm, 그 외의 지역은 0.5 ppm 이하로 제한하고 있다. 그리고 미국환경보호국(Environmental Protection Agency, EPA)에서는 크롬[Ⅳ]를 발암물질로 규정하고 있으며, 음용수 내에 허용되는 총크롬의 농도를 0.1 ppm 이하로 제한하고 있다.Because of the different properties and toxicity of chromium [III] and chromium [IV] as described above, it is very important to analyze their respective concentrations accurately. Particularly, chromium [III] and chromium [IV] are easily changed by oxidation-reduction reaction depending on the environment, so continuous monitoring of water quality is needed. In the case of Korea, the concentration of chromium [IV] in the clean area is regulated to 0.5 ppm and the concentration of chromium [IV] in the rest area is 0.1 ppm, And other areas are limited to less than 0.5 ppm. The US Environmental Protection Agency (EPA) defines chromium (IV) as a carcinogen and limits the total chromium concentration in drinking water to less than 0.1 ppm.
수중에 크롬을 분석하기 위한 종래기술로서 화학발광반응을 이용한 크롬분석은 아래의 [식 1]과 같이 염기성 조건에서 크롬[Ⅲ] 촉매 하에 과산화수소에 의해 산화된 루미놀(luminol, 5-amino-2,3-dihydro-1,4-phthalazinedione)에서 방출되는 빛 (425 nm)의 세기를 측정하는 것이다. 이때 방출되는 빛의 세기는 크롬[Ⅲ]의 농도에 비례하기 때문에 빛의 세기를 측정함으로써 크롬[Ⅲ]를 정량분석할 수 있다.As a conventional technique for analyzing chromium in water, chromium analysis using a chemiluminescence reaction is carried out using luminol (5-amino-2-ene) oxidized by hydrogen peroxide under a basic condition of chromium [III] 3-dihydro-1,4-phthalazinedione). At this time, since the intensity of emitted light is proportional to the concentration of chromium [III], chromium [III] can be quantitatively analyzed by measuring the intensity of light.
[식 1][Formula 1]
크롬[Ⅳ]의 경우 직접적으로 루미놀의 화학발광반응에 참여하지 않기 때문에 산성 조건에서 환원제를 사용하여 크롬[Ⅳ]를 크롬[Ⅲ]로 환원시켜 총크롬의 농도를 분석한다. 크롬[Ⅳ]가 크롬[Ⅲ]로 환원되는 반응은 [식 2]와 같다.In the case of chromium [IV], chromium [IV] is reduced to chromium [III] using a reducing agent under acidic conditions, since it does not directly participate in the chemiluminescence reaction of luminol. The reaction in which chromium [IV] is reduced to chromium [III] is shown in [Equation 2].
[식 2][Formula 2]
화학발광법으로 크롬[Ⅲ]와 크롬[Ⅳ]를 분석하는 방법은 다음과 같다. 먼저시료를 환원제와 반응하여 시료 내에 크롬[Ⅳ]를 크롬[Ⅲ]로 환원시켜 총크롬의 농도를 측정한다. 그리고 환원제를 사용하지 않고 크롬[Ⅲ]의 농도를 측정한 다음, 총크롬과 크롬[Ⅲ]의 농도 차를 계산하여 크롬[Ⅳ]의 농도를 알 수 있다. 종래기술은 상기한 방법을 적용하여 수중에 크롬 분석을 위한 미세유체칩을 개발하였으나, 다음과 같은 문제점들을 가지고 있다.The method of analyzing chromium [III] and chromium [IV] by chemiluminescence method is as follows. First, the sample is reacted with a reducing agent to reduce chromium [IV] to chromium [III] in the sample, and the concentration of total chromium is measured. After measuring the concentration of chromium [III] without using a reducing agent, the concentration of chromium [IV] can be determined by calculating the difference in total chromium and chromium [III] concentration. The prior art has developed a microfluidic chip for chromium analysis in water by applying the above method, but has the following problems.
첫째, 염기성 조건에서 과산화수소에 의한 루미놀 산화반응은 반응속도가 매우 빠르므로 최대화학발광을 효율적으로 측정하기 위해서는 루미놀과 과산화수소가 혼입되는 화학발광시약 혼합채널의 길이를 최소화해야 한다. 그리고 크롬[Ⅳ]의 농도를 정확하게 분석하기 위해서는 시료 내에 크롬[Ⅳ]를 크롬[Ⅲ]로 100% 환원시켜야 함에 따라 충분한 반응시간이 요구된다. 따라서 환원채널의 길이를 화학발광시약 혼합채널의 길이보다 상대적으로 길게 디자인해야 한다. 그러나 종래기술은 화학발광시약 혼합채널의 길이와 크롬[Ⅳ]의 크롬[Ⅲ]로의 환원을 위한 환원채널의 길이를 동일하게 하여 크롬[Ⅲ]와 크롬[Ⅳ]의 농도를 정확하게 검출할 수 없고, 검출감도가 떨어진다.Firstly, the oxidation reaction of hydrogen peroxide with hydrogen peroxide in basic condition is very fast. Therefore, to efficiently measure the maximum chemiluminescence, it is necessary to minimize the length of the chemiluminescent reagent mixing channel in which luminol and hydrogen peroxide are mixed. In order to accurately analyze the concentration of chromium [IV], a sufficient reaction time is required as 100% reduction of chromium [IV] into chromium [III] in the sample is required. Therefore, the length of the reductive channel should be designed to be longer than the length of the chemiluminescent reagent mixing channel. However, in the prior art, the concentration of chromium [III] and chromium [IV] can not be accurately detected by making the length of the chemiluminescent reagent mixing channel equal to the length of the reducing channel for reduction of chromium [IV] to chromium [III] , The detection sensitivity decreases.
둘째, 루미놀을 이용한 화학발광반응은 크롬[Ⅲ]뿐만 아니라 다른 금속이온들(철[Ⅱ], 코발트[Ⅱ], 구리[Ⅱ], 니켈[Ⅱ] 등)에 의해서도 일어난다. 종래기술은 이러한 방해물질들에 대한 효과를 고려하지 않아, 시료 내에 크롬의 농도를 선택적으로 분석할 수 없다.Secondly, the chemiluminescence reaction using luminol occurs not only with chromium [III] but also with other metal ions such as iron [II], cobalt [II], copper [II], nickel [II] The prior art does not take into account the effect on such interfering substances and thus can not selectively analyze the concentration of chromium in the sample.
셋째, 다른 금속이온들이 존재하는 현장시료 내에 크롬[Ⅲ] 분석 시 주입한 증류수와 혼합하는 과정에서 시료의 pH 변화에 의해 크롬[Ⅲ]와 금속이온의 혼합결정이 생성되어 크롬[Ⅲ]도 함께 침전되는 공침현상이 발생할 수 있다. 공침현상이 발생하면 미세유체칩으로 주입된 시료 내에 크롬[Ⅲ]의 농도가 감소하여 분석오차를 유발하며, 상기 침전으로 인해 미세유체칩이 막히는 결과를 초래한다.Thirdly, mixing of chromium [III] with metal ions is caused by the pH change of the sample during mixing with the distilled water injected in the analysis of chromium [III] in the sample where other metal ions are present, and chromium [III] Precipitated co-precipitation may occur. When a coprecipitation phenomenon occurs, the concentration of chromium [III] in the sample injected into the microfluidic chip is reduced to cause an analysis error, resulting in clogging of the microfluidic chip due to the precipitation.
넷째, 크롬[Ⅲ]와 크롬[Ⅳ]를 분석하기 위해 2개의 검량곡선(총크롬과 크롬[Ⅲ]의 검량곡선)이 필요하다.Fourth, two calibration curves (calibration curve of total chromium and chromium [III]) are needed to analyze chromium [III] and chromium [IV].
다섯째, 미세유체칩을 투명한 유리기판으로 제작하여 주변의 빛이 검출기로 유입됨에 따라 검출감도가 떨어지고 장치의 운용에 어려움을 야기한다. Fifth, as the microfluidic chip is made of a transparent glass substrate and ambient light enters the detector, the detection sensitivity is lowered and the operation of the apparatus becomes difficult.
본 발명은 화학발광법으로 수중에 크롬을 연속적으로 모니터링하기 위해 연속흐름상에서 분리과정 없이 크롬[Ⅲ]와 크롬[Ⅳ]를 고효율, 고감도로 검출하고, 방해물질에 의한 영향 없이 크롬을 선택적으로 검출할 수 있는 미세유체칩 및 이를 갖는 크롬 검출 장치를 제공하고자 한다.The present invention detects chromium [III] and chromium [IV] with high efficiency and high sensitivity without continuous separation on a continuous flow to continuously monitor chromium in water by chemiluminescence method and selectively detects chromium And a chromium detection device having the same.
본 발명의 일 측면에 따른 미세유체칩은 시료와 시약을 혼합하는 환원채널과 시약들을 혼합하는 시약 혼합채널, 및 일측 단부에 상기 환원채널과 상기 시약 혼합채널이 병렬로 연결되고 타측 단부에 배출구가 연결된 검출채널이 형성된 제1 기판, 및 상기 검출채널과 마주하며 빛이 투과하도록 형성된 검출부를 구비하며 상기 제1기판에 결합되는 제2기판을 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a microfluidic chip comprising: a reagent mixing channel for mixing a sample with a reagent and a reagent mixing channel for mixing the reagent and a reagent mixture channel; a reductant channel and a reagent mixing channel are connected in parallel at one end, And a second substrate coupled to the first substrate, the first substrate having a detection channel formed thereon, and a detection unit facing the detection channel and configured to transmit light.
상기 환원채널은 상기 시약 혼합채널보다 더 길게 형성될 수 있으며, 상기 제1 기판과 제2 기판은 빛을 흡수할 수 있는 색을 갖는 물질로 이루어지거나, 빛을 흡수할 수 있는 색으로 착색될 수 있다.The first and second substrates may be formed of a material having a color capable of absorbing light or may be colored with a color capable of absorbing light. have.
상기 제1 기판에는 시료의 주입을 위한 시료 주입구와 환원제의 주입을 위한 환원제 주입구가 형성되고, 상기 시료 주입구는 시료채널을 매개로 환원채널과 연결되고, 상기 환원제 주입구는 환원제채널을 매개로 환원채널과 연결될 수 있으며, 상기 제1 기판에는 제1 시약의 주입을 위한 제1 시약 주입구와 제2 시약의 주입을 위한 제2 시약 주입구가 형성되고, 상기 제1 시약 주입구는 제1 시약채널을 통해서 시약 혼합채널과 연결되며, 상기 제2 시약 주입구는 제2 시약채널을 통해서 시약 혼합채널과 연결될 수 있다.A sample inlet for injecting a sample and a reducing agent inlet for injecting a reducing agent are formed on the first substrate, the sample inlet is connected to a reducing channel via a sample channel, and the reducing agent inlet is connected to a reducing channel And a first reagent injection port for injecting the first reagent and a second reagent injection port for injecting the second reagent are formed on the first substrate, and the first reagent injection port is connected to the reagent through the first reagent channel And the second reagent inlet may be connected to the reagent mixing channel through the second reagent channel.
상기 검출채널은 중첩 배치되며 일측 단부와 타측 단부가 교호적으로 연결되고, 중앙에서 양쪽 측단으로 갈수록 감소하도록 형성될 수 있으며, 상기 환원채널과 상기 시약 혼합채널은 중첩 배치되며 일측 단부와 타측 단부가 교호적으로 연결될 수 있다.The detection channels may be overlapped and one end and the other end may be alternately connected to each other, and may be formed so as to decrease from the center to both ends. The reducing channel and the reagent mixing channel may be superimposed and one end and the other end Can be alternately connected.
본 발명의 일 측면에 따른 크롬 검출장치는 시료와 시약을 혼합하는 환원채널과 시약들을 혼합하는 시약 혼합채널, 및 일측 단부에 상기 환원채널과 상기 시약 혼합채널이 병렬로 연결되고 타측 단부에 배출구가 연결된 검출채널이 형성된 제1 기판, 및 상기 검출채널과 마주하며 빛이 투과하도록 형성된 검출부를 구비하며 상기 제1 기판에 결합되는 제2 기판을 포함하는 미세유체칩과, 상기 검출부와 마주하도록 배치된 검출기, 및 상기 미세유체칩에 시료 및 시약을 공급하는 공급부를 포함한다.A reagent mixing channel for mixing reagent and a reducing channel for mixing a sample and a reagent; and a reagent mixing channel for connecting the reducing channel and the reagent mixing channel in parallel at one end and a discharge port A microfluidic chip including a first substrate having a detection channel connected thereto and a second substrate coupled to the first substrate, the microfluidic chip having a detection unit formed to allow light to pass therethrough and facing the detection channel; A detector, and a supply unit for supplying the sample and the reagent to the microfluidic chip.
상기 환원채널은 상기 시약 혼합채널보다 더 길게 형성될 수 있으며, 상기 제1 기판과 제2 기판은 빛을 흡수할 수 있는 색을 갖는 물질로 이루어지거나, 빛을 흡수할 수 있는 색으로 착색될 수 있다.The first and second substrates may be formed of a material having a color capable of absorbing light or may be colored with a color capable of absorbing light. have.
상기 제1 기판에는 시료의 주입을 위한 시료 주입구와 환원제의 주입을 위한 환원제 주입구, 제1 시약의 주입을 위한 제1 시약 주입구, 및 제2 시약의 주입을 위한 제2 시약 주입구가 형성될 수 있다.The first substrate may be formed with a sample inlet for injecting a sample, a reducing agent inlet for injecting a reducing agent, a first reagent inlet for injecting the first reagent, and a second reagent inlet for injecting the second reagent .
상기 공급부는 상기 시료 주입구로 시료를 공급하고, 상기 환원제 주입구로 아황산칼륨을 공급하며, 상기 제1 시약 주입구로 염기성 조건의 완충용액에 용해된 루미놀을 공급하고, 상기 제2 시약 주입구로 염기성 조건의 완충용액에 용해된 과산화수소를 공급할 수 있다.Wherein the supply unit supplies the sample to the sample injection port, supplies the potassium sulfite to the reducing agent inlet, supplies the dissolved luminol to the first reagent injection port in the buffer solution of the basic condition, Hydrogen peroxide dissolved in the buffer solution can be supplied.
상기 공급부는 상기 제1 시약 및 상기 제2 시약과 함께 브롬이온을 상기 미세유체칩으로 공급할 수 있으며, 상기 공급부는 상기 제1 시약 및 상기 제2 시약과 함께 에틸렌디아민테트라아세트산(EDTA; ethylenediaminetetraacetic acid)을 상기 미세유체칩으로 공급할 수 있다.The supply unit may supply bromine ions to the microfluidic chip together with the first reagent and the second reagent, and the supply unit may include ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) together with the first reagent and the second reagent, To the microfluidic chip.
상기 검출채널은 중첩 배치되며 일측 단부와 타측 단부가 교호적으로 연결되고, 중앙에서 양쪽 측단으로 갈수록 감소하도록 형성될 수 있다.The detection channels are superposed and one end portion and the other end portion are alternately connected and may be formed so as to decrease from the center toward both side ends.
본 발명에서는 미세유체칩 내에서 시료 내의 크롬[Ⅳ]가 크롬[Ⅲ]로 모두 환원될 수 있도록 환원채널을 제작하여 크롬[Ⅲ]와 크롬[Ⅳ]의 정확한 분석이 가능하다.In the present invention, it is possible to make accurate analysis of chromium [III] and chromium [IV] by producing a reduction channel so that chromium [IV] in the sample is reduced to chromium [III] in the microfluidic chip.
또한, 화학발광시약이 주입되는 시약 혼합채널과 시료가 주입되는 환원채널의 길이를 다르게 하여 비대칭적으로 디자인함으로써 시약 혼합채널에서 일어나는 화학발광의 손실을 최소화하여 낮은 검출한계와 높은 감도로 크롬을 검출하는 것이가능하다.By designing asymmetrically the reagent mixing channel injected with the chemiluminescent reagent and the reducing channel injected with the sample, the loss of chemiluminescence occurring in the reagent mixing channel is minimized, and chromium is detected with low detection limit and high sensitivity It is possible to do.
또한, 검출채널에서 화학발광시약에 포함된 킬레이트제와 시료가 만나 시료 내에 존재하는 방해효과를 줄 수 있는 금속이온들을 제거함으로써 연속흐름상에서 크롬의 선택적인 검출이 가능하다.In addition, selective detection of chromium on the continuous stream is possible by removing the metal ions that can interfere with the chelating agent and the sample contained in the chemiluminescent reagent in the detection channel and present in the sample.
또한, 크롬[Ⅲ] 분석 시 환원제 주입구로 시료를 주입하여 크롬[Ⅲ]의 침전 또는 방해금속과의 공침현상이 발생하지 않아 정확한 크롬 농도의 분석이 가능하다.In addition, chromium [III] analysis does not cause precipitation of chromium [III] or coprecipitation with disturbing metals by injecting the sample into the reducing agent inlet, and it is possible to analyze the accurate chromium concentration.
또한, 크롬[Ⅲ]의 검량곡선의 기울기가 총크롬의 검량곡선의 기울기의 2배임에 따라 총크롬의 검량곡선만으로 크롬[Ⅲ]와 크롬[Ⅳ]의 농도를 분석하는 것이 가능하여 분석시간을 줄일 수 있다.In addition, since the slope of the calibration curve of chromium [III] is twice the slope of the calibration curve of total chromium, it is possible to analyze the concentrations of chromium [III] and chromium [IV] using only the calibration curve of total chromium, Can be reduced.
본 실시예의 미세유체칩은 주변의 빛이 검출기로 들어가는 것을 방지하기 위해 빛을 흡수하는 재료로 제작하여 높은 감도의 안정한 화학발광신호를 얻을 수 있고, 현장에 적용이 용이하다.The microfluidic chip of this embodiment is made of a material that absorbs light to prevent ambient light from entering the detector, so that a stable chemiluminescent signal with high sensitivity can be obtained and it is easy to apply in the field.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세유체칩의 상판을 도시한 평면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세유체칩의 하판을 도시한 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 크롬 검출장치를 도시한 구성도이다.
도 4a는 화학발광시약에 0.1 M의 브롬이온의 유무와 크롬[Ⅳ]의 농도에 따른 화학발광신호를 나타낸 그래프이고, 도 4b는 화학발광시약에 0.1 M의 브롬이온의 유무에 따른 크롬[Ⅳ]의 검량곡선을 나타낸 그래프이다.
도 5는 검정색 미세유체칩과 투명한 미세유체칩으로부터 얻은 크롬[Ⅳ]의 농도에 따른 화학발광신호를 나타낸 그래프이다.
도 6은 검출채널에서 나타나는 500 ppb 크롬[Ⅲ]의 화학발광을 냉각 CCD(Cooled CCD)카메라로 관찰한 사진이다.
도 7은 환원채널이 시약 혼합채널에 비하여 더 길게 형성된 미세유체칩(미세유체칩A)과 환원채널과 시약 혼합채널의 길이가 동일한 미세유체칩(미세유체칩B)에서 1000 ppb 총크롬 내에 크롬[Ⅲ]와 크롬[Ⅳ]의 비율이 다른 표준시료들로 측정한 화학발광신호를 나타낸 그래프이다.
도 8a는 환원제를 주입하여 얻은 크롬[Ⅲ]와 크롬[Ⅳ]의 농도에 따른 화학발광신호를 나타낸 그래프이고, 도 8b는 환원제를 주입하여 얻은 크롬[Ⅲ]와 크롬[Ⅳ]의 검량곡선을 나타낸 그래프이다.
도 9a는 총크롬과 크롬[Ⅲ]의 농도에 따른 화학발광신호를 나타낸 그래프이고, 도 9b는 총크롬과 크롬[Ⅲ]의 검량곡선을 나타낸 그래프이다.
도 10은 크롬[Ⅲ]와 철[Ⅱ]가 혼합된 시료에 EDTA의 유무와 환원제의 유무에 따른 크롬[Ⅲ]의 화학발광신호를 나타낸 그래프이다.
도 11은 크롬[Ⅲ]와 철[Ⅱ]가 혼합된 시료에 증류수를 주입하여 얻은 크롬[Ⅲ]의 화학발광신호를 나타낸 그래프이다.1 is a plan view showing a top plate of a microfluidic chip according to an embodiment of the present invention.
2 is a plan view showing a bottom plate of a microfluidic chip according to an embodiment of the present invention.
3 is a configuration diagram illustrating a chrome detection apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4A is a graph showing the chemiluminescent signal depending on the presence or absence of 0.1 M of bromine ion and the concentration of chromium [IV] in the chemiluminescent reagent. FIG. ], Respectively.
FIG. 5 is a graph showing a chemiluminescent signal according to the concentration of chromium [IV] obtained from a black microfluidic chip and a transparent microfluidic chip.
FIG. 6 is a photograph of the chemiluminescence of 500 ppb chromium [III] in a detection channel with a cooled CCD camera.
FIG. 7 is a graph showing the relationship between the concentration of the reagent mixture in the microfluidic chip (microfluidic chip A) and the length of the reagent mixing channel in the microfluidic chip (microfluidic chip B) Is a graph showing the chemiluminescent signal measured with standard samples in which the ratio of [III] to chromium [IV] is different.
8A is a graph showing a chemiluminescence signal according to the concentration of chromium [III] and chromium [IV] obtained by injecting a reducing agent, and FIG. 8B is a graph showing a calibration curve of chromium [III] and chromium [IV] Fig.
FIG. 9A is a graph showing chemiluminescence signals according to the concentrations of total chromium and chromium [III], and FIG. 9B is a graph showing calibration curves of total chromium and chromium [III].
10 is a graph showing the chemiluminescence signal of chromium [III] depending on the presence or absence of EDTA and the presence of a reducing agent in a sample mixed with chromium [III] and iron [II].
11 is a graph showing a chemiluminescence signal of chromium [III] obtained by injecting distilled water into a sample mixed with chromium [III] and iron [II].
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, which will be readily apparent to those skilled in the art to which the present invention pertains. The present invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments described herein.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 미세유체칩의 상판을 도시한 평면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세유체칩의 하판을 도시한 평면도이다.FIG. 1 is a plan view showing a top plate of a microfluidic chip according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a plan view showing a bottom plate of a microfluidic chip according to an embodiment of the present invention.
본 실시예에 따른 미세유체칩(30)은 상판(제1 기판)(10)과 하판(제2 기판)(20)을 포함한다. 상판(10)은 사각판 형상으로 이루어지며, 상판(10)에는 시료 주입구(11), 환원제 주입구(12)와 제1 시약 주입구(13)과 제2 시약 주입구(14)가 형성되어 있다. 또한, 시료 주입구(11)에는 시료 주입관(52)과의 결합을 위한 체결부(31)가 형성되며, 환원제 주입구(12)에는 환원제 주입관(53)과의 결합을 위한 체결부(32)가 형성된다.The
제1 시약 주입구(13)에는 시약 주입관(54)과의 결합을 위한 체결부(34)가 형성되어 있으며, 제2 시약 주입구(14)에는 시약 주입관(55)과의 결합을 위한 체결부(35)가 형성되어 있다.The first reagent injection port 13 is formed with a
또한, 상판(10)에는 시료채널(11a), 환원제채널(12a), 제1시약채널(13a), 제2시약채널(14a) 환원채널(15), 시약 혼합채널(16) 및 검출채널(17)이 형성된다. 시료 주입구(11)에는 시료채널(11a)이 연결 형성되며, 환원제 주입구(12)에는 환원제채널(12a)이 연결 형성된다. 시료 주입구(11)를 통해서 크롬을 포함하는 시료가 주입되며, 환원제 주입구(12)를 통해서 크롬[Ⅳ]를 환원시키기 위한 아황산칼륨 등의 환원제가 주입된다.The
시료채널(11a)과 환원제채널(12a)에는 환원채널(15)이 연결 형성되며, 환원채널(15)에서 시료와 환원제가 혼합되고 시료 내에 포함된 크롬[Ⅳ]는 환원제에 의해 크롬[Ⅲ]로 환원된다. 환원채널(15)은 중첩 배치되며 일측 단부와 타측 단부가 교호적으로 연결된다. 환원채널(15)의 일측 단부는 시료채널(11a) 및 환원제채널(12a)과 연결되고, 타측 단부는 검출채널(17)과 연결된다.A reducing
제1 시약 주입구(13)에는 제1 시약채널(13a)이 연결 형성되며, 제2 시약 주입구(14)에는 제2 시약채널(14a)이 연결 형성된다. 제1 시약 주입구(13)에는 염기성 조건의 완충용액에 용해된 루미놀, 브롬 이온 그리고 EDTA가 주입될 수 있으며, 제2 시약 주입구(14)에 상기한 루미놀의 용해에 사용된 염기성 조건의 완충용액에 용해된 과산화수소, 브롬 이온 그리고 EDTA가 주입될 수 있다.A
제1 시약채널(13a) 및 제2 시약채널(14a)에는 시약 혼합채널(16)이 연결 형성되며, 시약 혼합채널(16)에서 루미놀과 과산화수소가 혼합된다. 시약 혼합채널(16)은 중첩 배치되며 일측 단부와 타측 단부가 교호적으로 연결된다. 시약 혼합채널(16)의 일측 단부는 제1 시약채널(13a) 및 제2 시약채널(14a)과 연결되고, 타측 단부는 검출채널(17)과 연결된다.A
검출채널(17)의 일측 단부에는 환원채널(15)과 시약 혼합채널(16)이 연결 형성되고, 타측 단부에는 반응에 사용된 시약과 시료를 배출할 수 있도록 배출구(18)가 형성되어 있다. 배출구(18)에는 배출관이 결합될 수 있도록 체결부(33)가 형성되어 있다.A reducing
검출채널(17)은 중첩 배치되며 일측 단부와 타측 단부가 교호적으로 연결된다. 중첩된 검출채널(17)의 길이는 중앙에서 양쪽 측단으로 갈수록 감소하며, 검출채널(17)의 중심은 원형상으로 이루어진 검출부(21)의 중심과 맞도록 배치된다.The detection channels 17 are superposed and one end and the other end are alternately connected. The length of the overlapping detection channels 17 decreases from the center to both side ends, and the center of the detection channel 17 is arranged to match the center of the circular detection portion 21. [
검출채널(17)의 일측 단부에 환원채널(15)과 시약 혼합채널(16)이 함께 연결되므로 검출채널에서 만난 시료와 시약이 혼합되어 시료 내의 방해효과가 제거됨과 동시에 화학발광반응이 일어난다.Since the reducing
환원채널(15)의 길이는 시약 혼합채널(16) 길이의 2배 내지 6배가 된다. 이에 따라 환원채널(15)을 통과하면서 환원제에 의해 크롬[Ⅳ]가 크롬[Ⅲ] 로 모두 환원될 수 있다. 또한, 시약 혼합채널(16)의 길이가 짧게 형성되므로 시약 혼합채널(16)에서 일어나는 화학발광의 손실을 최소화하여 낮은 검출한계와 높은 감도로 크롬을 검출할 수 있다.The length of the reduction channel (15) is two to six times the length of the reagent mixing channel (16). As a result, the chromium (IV) can be reduced to chromium (III) by the reducing agent while passing through the reduction channel (15). In addition, since the length of the
체결부들(31, 32, 33, 34, 35)은 폴리머 또는 튜빙 등으로 이루어지며, 관 또는 튜브가 용이하게 착탈 결합될 수 있도록 홀을 갖는다.The
상판(10)은 광 흡수성을 갖는 폴리머로 이루어지며, 특히 검정색의 폴리디메틸실록산(PDMS, polydimethylsiloxane)으로 이루어질 수 있다. 다만 상판(10)은 광 흡수성을 갖는 다양한 색을 갖는 물질로 이루어지거나, 광 흡수성을 갖는 색으로 착색될 수 있다.The
한편, 하판(20)에는 상판(10)의 검출채널(17)과 대응되는 하부에 검출부(21)가 형성된다. 하판(20)은 검정색의 PDMS로 이루어지며, 검출부(21)는 화학발광반응에 의해 발생한 빛이 통과할 수 있도록 투명한 PDMS로 채워진다. 검출부(21)는 검정색 PDMS에 홀을 형성한 후, 투명 PDMS를 주입하여 형성할 수 있다. 다만, 하판(20)이 착색된 경우에는 검출부만 착색되지 아니하고 투명하게 형성된다.On the other hand, in the
상기한 바와 같이 상판(10)과 하판(20)이 광 흡수성을 갖도록 형성되면, 외부에서 입사된 빛을 흡수하여 안정한 화학발광신호를 얻을 수 있고, 검출한계와 감도를 향상시킬 수 있다.As described above, when the
이하에서는 상판(10)과 하판(20)의 제조 방법에 대하여 설명한다. 준비된 실리콘 웨이퍼 상에 포토레지스트를 스핀 코팅한 후, 포토 마스크를 설치한 상태에서 자외선을 조사한 다음 경화 및 현상을 거쳐 양각 패턴을 형성한다. Hereinafter, a manufacturing method of the
양각 패턴이 형성된 실리콘 웨이퍼 상에 검정색 PDMS를 웨이퍼 위에 붓고 경화 후에 상판(10)을 웨이퍼에서 분리시키면 음각이 형성된 검정색 PDMS의 상판을 얻을 수 있다. 하판(20)도 상판(10)과 동일한 방법으로 제조한다.When black PDMS is poured on a wafer having a bumpy pattern formed thereon, and the
상판(10)과 하판(20)은 결합되는 부분을 아크 방전으로 표면처리 한 후, 상판(10)의 검출채널(17)의 중심에 하판(20)의 검출부(21)의 중심이 일치하도록 결합한다. The center of the detection channel 17 of the
시료와 환원제는 환원채널(15)을 거쳐 검출채널(17)로 이동하며, 시약은 시약 혼합채널(16)을 거쳐 검출채널(17)로 이동하여 화학발광반응을 일으킨다. 검출채널(17)에서 화학발광반응이 일어난 후의 시료와 시약은 배출구(18)로 이동한다.The sample and the reducing agent move to the detection channel 17 through the reducing
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 크롬 검출장치를 도시한 구성도이다.3 is a configuration diagram illustrating a chrome detection apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 3을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 크롬 검출장치는 외형을 이루는 하우징(41) 내에 삽입 설치되며 검출부(21)의 아래에 배치된 검출기(42)와 미세유체칩(30), 및 미세유체칩(30)에 시료 및 시약을 공급하는 공급부(51)를 포함한다. 하우징(41)은 대략 직육면체의 상자 형태로 이루어진다. 하우징(41)은 빛을 흡수할 수 있도록 검정색으로 착색된 금속으로 이루어지며, 미세유체칩(30)은 하우징(41)의 상면에 고정 설치된다. 이에 따라 외부의 빛이 검출기(42)로 들어가는 것을 차단하여 화학발광반응에 의해 생성된 빛만 검출부(21)를 통해 검출기(42)로 입사된다.3, the chrome detecting device according to the present embodiment includes a
한편, 시료 주입구(11)에 설치된 체결부(31)에는 시료주입관(52)이 연결 설치되고, 환원제 주입구(12)에 설치된 체결부(32)에는 환원제 주입관(53)이 연결 설치된다. 또한, 제1 시약 주입구(13)에 설치된 체결부(34)에는 제1 시약 주입관(54)이 연결 설치되고, 제1 시약 주입구(14)에 설치된 체결부(35)에는 제2 시약 주입관(55)이 연결 설치된다.A
공급부(51)에는 연동 펌프가 설치되며 공급부(51)는 시료주입관(52)으로 시료를 공급하고, 환원제 주입관(53)으로 아황산칼륨을 공급한다. 또한, 공급부(51)는 제1 시약 주입관(54)으로 루미놀을 공급하고, 제2 시약 주입관(55)으로 과산화수소를 공급한다.A peristaltic pump is installed in the
공급부(51)는 시약과 시료를 연속적으로 공급하며, 공급된 시료와 시약은 반응한 후, 배출구(18)을 통해서 배출된다. 이에 따라 본 실시예에 따른 크롬 검출 장치는 크롬을 연속적으로 모니터링할 수 있다.The
공급부(51)는 시약과 함께 브롬이온을 미세유체칩(30)으로 공급하며, 이에 따라 화학발광세기가 증가하여 크롬 검출장치의 감도가 향상되고, 크롬 검출장치는더 낮은 검출한계를 갖게 된다. 또한, 공급부(51)는 시약과 함께 EDTA를 공급한다. EDTA는 염기성 조건에서 금속이온과 반응하여 착물을 형성하는 바, 이에 따라 시료에 포함된 루미놀 화학발광반응에 참여하는 다른 금속이온들을 제거하여 크롬의 농도가 부정확하게 측정되는 것을 방지할 수 있다.The
검출기(42)에는 전원(61)이 연결 설치된다. 또한, 검출기(42)에는 검출기(42)에서 발생된 신호를 가공 처리하는 디지털 멀티미터(62)가 연결 설치되고, 디지털 멀티미터(62)는 가공된 신호를 연결된 컴퓨터(63)로 전달한다.A
[실험예 1][Experimental Example 1]
실험예 1에서는 본 실시예에 따른 미세유체칩과 이를 포함하는 크롬 검출장치를 이용하여 크롬의 농도에 따른 화학발광세기를 측정하였다. 화학발광시약은 시료에서 크롬[Ⅲ]를 검출하기 위한 것으로 염기성 조건 하에서 크롬[Ⅲ]와 반응하여 화학발광을 나타낸다. 화학발광시약은 루미놀과 과산화수소로 이루어지며, 화학발광의 세기는 루미놀과 과산화수소의 농도에 따라 달라진다.In Experimental Example 1, the intensity of chemiluminescence according to the concentration of chromium was measured using the microfluidic chip and the chromium detection device including the microfluidic chip according to the present embodiment. The chemiluminescent reagent is for detecting chromium [III] in the sample and reacts with chromium [III] under basic conditions to exhibit chemiluminescence. The chemiluminescent reagent consists of luminol and hydrogen peroxide, and the intensity of chemiluminescence depends on the concentration of luminol and hydrogen peroxide.
화학발광법을 위한 완충용액은 30.09 g의 붕산(H3BO3)과 10.2 g의 브롬화 칼륨(KBr), 2.92 g의 EDTA((HOOCCH2)2HNCH2CH2NH(CH2COOH)2)를 증류수에 녹인 다음 5 M의 수산화칼륨(KOH) 용액을 이용하여 pH를 10.9로 조절하고 최종부피를 1 L로 하여 제조한다. 화학발광시약은 0.02 g의 루미놀을 완충용액에 녹여 pH가 10.9가 되도록 조절한 뒤 최종부피가 100 mL가 되도록 제조한다. 산화제로 0.868 mL의 과산화수소를 상기 완충용액에 녹여 pH가 10.9가 되도록 조절한 뒤 최종부피가 100 mL가 되도록 제조한다. 크롬[Ⅳ]를 크롬[Ⅲ]로 환원하기 위한 환원제는 아황산칼륨(K2SO3) 0.1104 g을 증류수에 녹여 pH가 2.5가 되도록 조절한 뒤 최종부피가 100 mL가 되도록 제조한다. 크롬[Ⅲ]와 크롬[Ⅳ]의 표준시료는 각각 질산크롬 9수화물(Cr(NO3)3·9H2O)과 크롬산 칼륨(K2CrO4)을 증류수에 녹여 1000 ppm의 용액을 제조한 다음 희석하여 5 ppb, 50 ppb, 125 ppb, 250 ppb, 500 ppb, 1000 ppb의 농도로 각각 제조한다. The buffer solution for the chemiluminescence method was prepared by adding 30.09 g of boric acid (H 3 BO 3 ), 10.2 g of potassium bromide (KBr), 2.92 g of EDTA ((HOOCCH 2 ) 2 HNCH 2 CH 2 NH (CH 2 COOH) 2 ) Is dissolved in distilled water and adjusted to pH 10.9 with a 5 M potassium hydroxide (KOH) solution to give a final volume of 1 L. The chemiluminescent reagent is prepared by dissolving 0.02 g of luminol in a buffer solution to adjust the pH to 10.9 and a final volume of 100 mL. 0.868 mL of hydrogen peroxide as an oxidizing agent is dissolved in the buffer solution to adjust the pH to 10.9, and the final volume is adjusted to 100 mL. The reducing agent for reducing chromium [IV] to chromium [III] is prepared by dissolving 0.1104 g of potassium sulfite (K 2 SO 3 ) in distilled water to adjust the pH to 2.5, and then making the final volume to 100 mL. Standard samples of chromium [III] and chromium [IV] were prepared by dissolving chromium nitrate 9 hydrate (Cr (NO 3 ) 3 .9H 2 O) and potassium chromate (K 2 CrO 4 ) The following dilutions are prepared at concentrations of 5 ppb, 50 ppb, 125 ppb, 250 ppb, 500 ppb and 1000 ppb, respectively.
화학발광시약인 루미놀은 제1 시약주입구(13)를 통해서 주입하고, 과산화수소는 제2 시약주입구(14)를 통해 주입한다. 시료는 시료 주입구(11)로 주입하고, 환원제는 환원제 주입구(12)를 통해 각각 주입한다. 각 용액의 주입 시 사용된 연동펌프의 유속은 7.5 ㎕/min이다.The chemiluminescent reagent, luminol, is injected through the first reagent inlet 13 and hydrogen peroxide is injected through the second reagent inlet 14. The sample is injected into the sample inlet (11), and the reducing agent is injected through the reducing agent inlet (12). The flow rate of the peristaltic pump used when injecting each solution was 7.5 μl / min.
도 4a는 화학발광시약에 0.1 M의 브롬이온의 유무와 크롬[Ⅳ]의 농도에 따른 화학발광신호를 나타낸 그래프이고, 도 4b는 화학발광시약에 0.1 M의 브롬이온의 유무에 따른 크롬[Ⅳ]의 검량곡선을 나타낸 그래프이다.FIG. 4A is a graph showing the chemiluminescent signal depending on the presence or absence of 0.1 M of bromine ion and the concentration of chromium [IV] in the chemiluminescent reagent. FIG. ], Respectively.
본 실험예에 사용된 표준시료는 5 ppb, 50 ppb, 125 ppb, 250 ppb, 500 ppb, 1000 ppb 크롬[Ⅳ]이며, 환원제를 주입하고 0.1 M의 브롬이온을 첨가한 화학발광시약과 브롬이온을 첨가하지 않은 화학발광시약을 사용하여 각 농도에 따른 화학발광신호를 연속적으로 측정하였다. 브롬이온은 염기성 조건 하에 금속이온, 과산화수소 그리고 루미놀이 반응하여 생성된 복합체를 공격한다. 이로 인해 화학발광을 일으키는 들뜬 상태의 3-아미노프탈레이트(3-aminophthalate)가 더 많이 생성되어 화학발광세기가 증가한다. 도 4a에서 나타낸 바와 같이 0.1 M의 브롬이온을 첨가한 화학발광시약을 사용하였을 때 브롬이온을 첨가하지 않은 화학발광시약을 사용하였을 때보다 화학발광세기가 크게 증가한 것을 알 수 있다. The standard samples used in this experiment are 5 ppb, 50 ppb, 125 ppb, 250 ppb, 500 ppb and 1000 ppb chromium [Ⅳ], and a chemiluminescent reagent containing 0.1 M bromine ion and bromine ion The chemiluminescent signal was continuously measured according to each concentration by using a chemiluminescent reagent to which no reagent was added. Bromine ions attack complexes formed by the reaction of metal ions, hydrogen peroxide and luminol under basic conditions. As a result, 3-aminophthalate (3-aminophthalate), which causes chemiluminescence, is generated more and the intensity of chemiluminescence is increased. As shown in FIG. 4A, when the chemiluminescent reagent containing 0.1 M of bromine ion was used, the chemiluminescent intensity was greatly increased compared with the case of using the chemiluminescent reagent without the bromine ion.
도 4b에서 0.1 M의 브롬이온을 첨가한 화학발광시약의 검량곡선은 y = 0.00100x + 0.00289 (R2=0.9999)이며, 브롬이온을 첨가하지 않은 화학발광시약의 검량곡선은 y = 0.000182x + 0.000212 (R2=0.9999)이다. 여기서 y는 화학발광세기를 의미하며, x는 농도, R2은 선형계수를 의미한다. 이러한 검량곡선은 분석하고자 하는 물질로 제조한 표준시료를 사용해 낮은 농도부터 농도 순으로 화학발광세기를 측정하여 분석하고자 하는 물질의 농도에 따른 화학발광세기의 관계를 선으로 나타낸 것이다.In FIG. 4B, the calibration curve of the chemiluminescent reagent to which 0.1 M of bromine ion is added is y = 0.00100x + 0.00289 (R 2 = 0.9999), and the calibration curve of the chemiluminescent reagent without bromine ion is y = 0.000182x + 0.000212 (R 2 = 0.9999). Where y is the chemiluminescence intensity, x is the concentration, and R 2 is the linear coefficient. These calibration curves show the relationship of the chemiluminescence intensity according to the concentration of the substance to be analyzed by measuring the chemiluminescence intensity from a low concentration to a concentration order using a standard sample prepared from the substance to be analyzed.
도 4b에 도시된 바와 같이 0.1 M의 브롬이온을 첨가한 화학발광시약을 사용하였을 때 브롬이온을 첨가하지 않은 화학발광시약을 사용하였을 때보다 검량곡선의 기울기가 약 5.5배 증가한 것을 알 수 있다. As shown in FIG. 4B, when the chemiluminescent reagent containing 0.1 M of bromine ion was used, the slope of the calibration curve increased about 5.5 times as compared with the case of using the chemiluminescent reagent without bromine ion addition.
그리고 0.1 M의 브롬이온을 첨가하였을 때 검출한계는 0.32 ppb로, 브롬이온을 첨가하지 않았을 때의 검출한계 1.3 ppb에 비해 약 4배 낮은 검출한계를 가진다. 따라서 화학발광시약에 0.1 M 브롬이온을 첨가함으로써 더 높은 감도와 낮은 검출한계로 크롬을 검출하는 것이 가능하다.When 0.1 M bromine ion is added, the detection limit is 0.32 ppb, which is about 4 times lower than the detection limit of 1.3 ppb without bromine ion addition. Therefore, it is possible to detect chromium with higher sensitivity and lower detection limit by adding 0.1 M bromine ion to the chemiluminescent reagent.
[실험예 2][Experimental Example 2]
본 실험예 2에서는 미세유체칩의 상판(10)과 하판(20) 모두를 검정색 PDMS로 제작한 것과 투명 PDMS로 제작한 것을 크롬 검출장치에 적용하여 총크롬의 화학발광세기를 측정하였다. 본 실험예는 암실에서 수행되었다.In Experimental Example 2, the chemiluminescence intensity of total chromium was measured by applying both the
도 5는 검정색 미세유체칩과 투명한 미세유체칩으로부터 얻은 크롬[Ⅳ]의 농도에 따른 화학발광신호를 나타낸 그래프이다.FIG. 5 is a graph showing a chemiluminescent signal according to the concentration of chromium [IV] obtained from a black microfluidic chip and a transparent microfluidic chip.
도 5에 도시된 바와 같이 투명 PDMS로 제작한 미세유체칩은 외부의 빛이 검출기로 들어가 바탕신호(background signal)의 세기와 신호의 잡음이 크게 증가하였고, 크롬[Ⅳ] 표준시료(5 ppb, 50 ppb, 125 ppb, 250 ppb, 500 ppb, 1000 ppb)로부터 얻은 화학발광신호 또한 주변의 빛과 화학발광반응에서 발생한 빛의 산란에 의해 신호가 불안정하고 잡음이 큰 것을 알 수 있다. As shown in FIG. 5, in the microfluid chip fabricated with transparent PDMS, the intensity of the background signal and the signal greatly increased due to the external light entering the detector, and the chromium [IV] standard sample (5 ppb, 50 ppb, 125 ppb, 250 ppb, 500 ppb, and 1000 ppb), the signal is unstable and the noise is large due to scattering of light generated in the ambient light and chemiluminescent reaction.
그리고 바탕신호의 세기가 크게 증가함에 따라 50 ppb 이하의 크롬[Ⅲ]의 화학발광신호는 바탕신호와 구별할 수 없다. 이와 같이 투명 PDMS로 제작한 미세유체칩으로부터 얻은 화학발광신호는 바탕신호의 세기와 잡음의 증가에 따라 검출한계가 높아지고, 검출할 수 있는 크롬의 농도범위가 축소된다. As the intensity of the background signal increases, chemiluminescent signals of chromium [Ⅲ] less than 50 ppb can not be distinguished from background signals. The chemiluminescence signal obtained from the microfluidic chip fabricated with transparent PDMS increases the detection limit according to the intensity of the background signal and the noise, and the chromium concentration range to be detected is reduced.
반면, 검정색 PDMS로 제작한 미세유체칩은 외부의 빛이 검출기로 들어가는 것을 차단하여 바탕신호의 세기와 잡음이 감소하였으며, 화학발광신호가 매우 안정적이다. 크롬 검출장치는 검정색 PDMS로 제작한 미세유체칩을 사용함으로써 외부의 빛을 효과적으로 차단하여 더 높은 감도와 낮은 검출한계로 크롬을 검출하는 것이 가능하고, 검출할 수 있는 크롬의 농도범위를 확장할 수 있다.On the other hand, the microfluidic chip fabricated with black PDMS blocks external light from entering the detector, thus reducing the background signal intensity and noise, and the chemiluminescent signal is very stable. By using a microfluidic chip made of black PDMS, the chrome detection device effectively blocks external light, enabling detection of chrome with higher sensitivity and lower detection limit, and can extend the range of detectable chromium concentration have.
[실험예 3][Experimental Example 3]
본 실험예 3에서는 500 ppb 크롬[Ⅲ]를 시료 주입구에 주입하고, 냉각 CCD(Cooled CCD)카메라로 화학발광을 관찰하였다. 도 6은 검출채널에서 나타나는 500 ppb 크롬[Ⅲ]의 화학발광을 냉각CCD(Cooled CCD)카메라로 관찰한 사진이다. 화학발광은 검출채널(17)의 가운데 부분에서 가장 강하게 나타내며, 시작 부분과 끝 부분에서의 화학발광세기는 가운데 부분과 비교하여 상대적으로 약한 것을 알 수 있다. 이는 화학발광의 생성부터 소멸까지 화학발광반응으로부터 발생한 대부분의 빛을 측정할 수 있도록 미세유체칩의 디자인과 시약의 조건이 최적화되어 고감도의 크롬 검출이 가능함을 보여주는 결과이다.In Experimental Example 3, 500 ppb chromium [III] was injected into the sample inlet and chemiluminescence was observed with a cooled CCD camera. FIG. 6 is a photograph of the chemiluminescence of 500 ppb chromium [III] in a detection channel with a cooled CCD camera. Chemiluminescence is most strongly expressed in the center portion of the detection channel 17, and the intensity of chemiluminescence at the beginning and end portions is relatively weak compared to the center portion. This is a result of showing that the design of the microfluidic chip and the condition of the reagent are optimized so that most of the light generated from the chemiluminescence reaction can be measured from the generation of chemiluminescence to the disappearance, and the chromium detection with high sensitivity is possible.
[실험예 4][Experimental Example 4]
본 실험예 4에서는 크롬[Ⅲ]가 크롬[Ⅳ]로 환원되는 환원율을 확인하기 위해 총크롬 농도를 1000 ppb로 동일하게 하고, 크롬[Ⅲ]와 크롬[Ⅳ]의 비율을 각각 3:7, 5:5, 7:3으로 다르게 하여 준비한 표준시료를 미세유체칩A와 미세유체칩B에 각각 순차적으로 주입하여 화학발광신호를 측정하였다.In Experimental Example 4, in order to confirm the reduction ratio in which chromium [III] is reduced to chromium [IV], the total chromium concentration is made equal to 1000 ppb and the ratios of chromium [III] and chromium [ 5: 5, and 7: 3 were sequentially injected into the microfluidic chip A and the microfluidic chip B, respectively, to measure chemiluminescent signals.
도 7은 환원채널이 시약 혼합채널에 비하여 더 길게 형성된 미세유체칩A(환원채널(15): 100 cm, 시약 혼합채널(16): 20 ㎝)와 환원채널과 시약 혼합채널의 길이가 동일한 미세유체칩B(환원채널(15): 20 ㎝, 시약 혼합채널(16): 20 ㎝)에서 1000 ppb 총크롬 내에 크롬[Ⅲ]와 크롬[Ⅳ]의 비율이 다른 표준시료들로 측정한 화학발광신호를 나타낸 그래프이다.FIG. 7 is a graph showing the relationship between the number of microfluidic chips A (reducing channel (15): 100 cm, reagent mixing channel (16): 20 cm) formed with a longer reductant channel than the reagent mixing channel, The ratio of chromium [III] to chromium [IV] in 1000 ppb total chromium in Fluid Chip B (Reducing Channel (15): 20 cm, Reagent Mixing Channel (20): 20 cm) Fig.
미세유체칩A는 시료에 포함된 크롬[Ⅳ]가 크롬[Ⅲ]로 모두 환원되어 시료 내의 크롬[Ⅳ]와 크롬[Ⅲ]의 조성비가 다름에도 동일한 화학발광세기를 보인다.The microfluidic chip A shows the same chemiluminescence intensity even if the composition ratio of chromium [IV] and chromium [III] in the sample is different, because chromium [IV] contained in the sample is reduced to chromium [III].
미세유체칩B는 시료 중에 포함된 크롬[Ⅳ]의 일부분만이 크롬[Ⅲ]로 환원되어 서로 다른 조성의 시료가 각기 다른 화학발광세기를 보인다.In the microfluidic chip B, only a part of the chromium [IV] contained in the sample is reduced to chromium [III], and samples of different compositions show different chemiluminescent intensity.
상기한 바와 같이 본 발명에 따르면 환원채널(15)의 길이가 시약 혼합채널(16)의 길이보다 더 길게 형성됨으로써 크롬[Ⅳ]의 농도를 정확하게 측정할 수 있다.As described above, according to the present invention, since the length of the reducing
[실험예 5][Experimental Example 5]
본 실험예 5는 넓은 농도 범위의 크롬[Ⅳ]가 크롬[Ⅲ]로 100% 환원되는지 확인하기 위하여 5 ppb, 50 ppb, 125 ppb, 250 ppb, 500 ppb, 1000 ppb의 크롬[Ⅲ] 그리고 크롬[Ⅳ] 표준시료 각각을 시료 주입구(11)에 순차적으로 주입하고, 환원제 주입구(12)에 환원제를 주입하여 화학발광신호를 측정하였다.In Experimental Example 5, chromium [III] and chromium [III] were used in order to confirm that a wide concentration range of chromium [IV] was reduced to 100% by chromium [III] [IV] Each of the standard samples was injected into the
도 8a는 환원제를 주입하여 얻은 크롬[Ⅲ]와 크롬[Ⅳ]의 농도에 따른 화학발광신호를 나타낸 그래프이고, 도 8b는 환원제를 주입하여 얻은 크롬[Ⅲ]와 크롬[Ⅳ]의 검량곡선을 나타낸 그래프이다.8A is a graph showing a chemiluminescence signal according to the concentration of chromium [III] and chromium [IV] obtained by injecting a reducing agent, and FIG. 8B is a graph showing a calibration curve of chromium [III] and chromium [IV] Fig.
도 8a는 각 농도의 크롬[Ⅲ]와 크롬[Ⅳ]는 거의 동일한 화학발광세기를 나타낸다. In FIG. 8A, chromium [III] and chromium [IV] at each concentration show substantially the same chemiluminescence intensity.
도 8b에서 크롬[Ⅲ]의 검량곡선은 y = 0.00100x - 0.00115 (R2=0.9999)이며, 크롬[Ⅳ]의 검량곡선은 y = 0.00100x + 0.00127 (R2=0.9999)이다. 여기서 y는 화학발광세기를 의미하며, x는 농도, R2은 선형계수를 의미한다.In FIG. 8B, the calibration curve of chromium [III] is y = 0.00100x-0.00115 (R 2 = 0.9999), and the calibration curve of chromium [IV] is y = 0.00100x + 0.00127 (R 2 = 0.9999). Where y is the chemiluminescence intensity, x is the concentration, and R 2 is the linear coefficient.
크롬[Ⅲ]와 크롬[Ⅳ]의 검량곡선은 기울기가 동일하고 y절편이 아주 미세하게 상이하므로 각각의 검량곡선을 하나의 그래프에 도시한 결과 도 8b와 같이 2개의 검량곡선이 겹치는 것을 알 수 있다.Since the calibration curves of chromium [III] and chromium [IV] have the same slope and the y-intercept is very different, each calibration curve is shown in one graph. As a result, two calibration curves overlap have.
도 8의 결과로부터 미세유체칩과 이를 포함하는 화학발광 검출장치는 넓은 농도 범위(5~1000 ppb)의 크롬[Ⅳ]를 크롬[Ⅲ]로 100% 환원할 수 있어, 분석오차 없이 크롬[Ⅲ]와 크롬[Ⅳ]의 농도를 정확하게 검출할 수 있음을 알 수 있다.From the results of FIG. 8, the microfluid chip and the chemiluminescence detection device including the same can 100% reduce chromium [IV] in a wide concentration range (5 to 1000 ppb) to chromium [III] ] And chromium [IV] can be accurately detected.
[실험예 6][Experimental Example 6]
본 실험예 6은 5 ppb, 50 ppb, 125 ppb, 250 ppb, 500 ppb, 1000 ppb의 총크롬과 크롬[Ⅲ] 표준시료 각각으로부터 얻은 농도에 따른 화학발광신호를 측정하였다.In Experimental Example 6, chemiluminescence signals were measured according to the concentrations obtained from the total chromium and chromium [Ⅲ] standard samples of 5 ppb, 50 ppb, 125 ppb, 250 ppb, 500 ppb and 1000 ppb, respectively.
도 9a는 총크롬과 크롬[Ⅲ]의 농도에 따른 화학발광신호를 나타낸 그래프이고, 도 9b는 총크롬과 크롬[Ⅲ]의 검량곡선을 나타낸 그래프이다.FIG. 9A is a graph showing chemiluminescence signals according to the concentrations of total chromium and chromium [III], and FIG. 9B is a graph showing calibration curves of total chromium and chromium [III].
동일한 농도의 시료에 대해 크롬[Ⅲ]의 화학발광세기가 총크롬 화학발광세기의 2배인 것을 알 수 있다. 도 8a에 나타낸 바와 같이 환원제를 주입할 경우, 동일한 농도의 크롬[Ⅲ]와 크롬[Ⅳ]는 거의 유사한 화학발광세기를 갖는다. 그러나 본 실험예 6은 크롬[Ⅲ] 분석 시, 시료 주입구(11)와 환원제 주입구(12)로 시료를 주입하고, 총크롬 분석 시, 시료 주입구(11)로만 시료를 주입하고 환원제 주입구(12)로 환원제를 주입함에 따라 시료의 농도가 1/2로 희석되어 동일한 농도의 크롬[Ⅲ]의 화학발광세기는 총크롬의 화학발광세기의 2배이다.It can be seen that the chromium [III] chemiluminescence intensity is twice that of the total chromium chemiluminescence intensity for a sample of the same concentration. As shown in FIG. 8A, when the reducing agent is injected, chromium [III] and chromium [IV] have almost the same chemiluminescence intensity at the same concentration. However, in Experimental Example 6, the sample is injected into the
도 9b는 도 9a에 도시한 농도에 따른 화학발광신호를 총크롬과 크롬[Ⅲ] 각각에 대하여 세 번 반복하여 얻은 검량곡선으로 재현성이 매우 높아 상대표준편차가 매우 작은 것을 알 수 있다. 도 9b에서 크롬[Ⅲ]의 검량곡선은 y = 0.00200x + 0.00112 (R2=0.9999)이며, 총크롬의 검량곡선은 y = 0.00100x + 0.00289 (R2=0.9999)이다. 여기서 y는 화학발광세기를 의미하며, x는 농도, R2은 선형계수를 의미한다.FIG. 9B is a calibration curve obtained by repeating the chemiluminescence signal according to the concentration shown in FIG. 9A three times for each of the total chromium and chromium [III], and it can be seen that the relative standard deviation is very small because the reproducibility is very high. In FIG. 9B, the calibration curve of chromium [III] is y = 0.00200x + 0.00112 (R 2 = 0.9999) and the calibration curve of total chromium is y = 0.00100x + 0.00289 (R 2 = 0.9999). Where y is the chemiluminescence intensity, x is the concentration, and R 2 is the linear coefficient.
본 실험예 6에 따르면 크롬[Ⅲ] 검량곡선의 기울기는 총크롬 검량곡선의 기울기의 2배임을 알 수 있다. 이러한 관계를 이용하여 총크롬 검량곡선으로 현장시료 내에 존재하는 총크롬과 크롬[Ⅲ], 크롬[Ⅳ]의 농도를 분석한 결과 2개의 검량곡선(총크롬과 크롬[Ⅲ] 검량곡선)으로 계산한 결과와 유사함을 알 수 있다 (표 2). 이와 같이 본 발명에 따른 크롬 검출장치는 총크롬 검량곡선만으로 총크롬과 크롬[Ⅲ], 크롬[Ⅳ]의 정확한 분석이 가능하며 분석시간을 크게 줄일 수 있다.According to Experimental Example 6, it can be seen that the slope of the chromium [III] calibration curve is twice the slope of the total chromium calibration curve. Using this relationship, the total chromium and chromium [Ⅲ] and chromium [Ⅳ] concentrations in the field sample were analyzed using the total chromium calibration curve and the results were calculated as two calibration curves (total chromium and chromium [Ⅲ] calibration curves) (Table 2). Thus, the chromium detection apparatus according to the present invention can accurately analyze the total chromium, chromium [III], and chromium [IV] using only the total chromium calibration curve, and can greatly reduce the analysis time.
본 실험예 6으로부터 얻은 총크롬과 크롬[Ⅲ] 각각의 검출한계는 0.32 ppb, 0.13 ppb이다. 그리고 선형구간은 5 ppb~1000 ppb로 법적규제농도를 포함하고 있어 시료의 희석이나 농축 등의 전처리 없이 크롬 검출이 가능하다.The detection limits of total chromium and chromium [III] obtained from Experimental Example 6 are 0.32 ppb and 0.13 ppb, respectively. The linear range is from 5 ppb to 1000 ppb and contains legal regulated concentration. Therefore, it is possible to detect chromium without pretreatment such as sample dilution or concentration.
[실험예 7][Experimental Example 7]
루미놀 화학발광반응은 크롬[Ⅲ] 이외에 다른 금속이온들(코발트[Ⅱ], 철[Ⅱ], 구리[Ⅱ], 니켈[Ⅱ] 등)도 참여하며, 크롬을 포함한 금속이온들의 물의 용해도와 이동도는 pH에 크게 의존한다. 예를 들어 산성비 등의 원인으로 발생하는 물의 산성화로 인해 물의 pH가 4.0~4.5까지 내려가 금속이온의 농도가 증가함으로 인해 방해금속이온들에 의한 영향이 더욱 심각해진다. 이에 본 실험예 7은 물의 산성화로 인한 pH 변화에도 다른 금속이온들에 의한 방해효과 없이 크롬을 선택적으로 검출 가능한지 확인하였다.The luminol chemiluminescence reaction also involves other metal ions (cobalt [II], iron [II], copper [II], nickel [II], etc.) in addition to chromium [III] The pH is highly dependent on pH. For example, due to the acidification of water caused by acid rain, etc., the pH of the water is reduced to 4.0 to 4.5, and the concentration of metal ions increases, so that the effect of the interfering metal ions becomes more serious. Thus, Experimental Example 7 confirms that chromium can be selectively detected without any disturbance by other metal ions even when the pH is changed due to acidification of water.
방해금속이온들에 의한 효과는 EDTA를 사용하여 제거할 수 있다. EDTA는 염기성 조건에서 금속이온과 반응하여 착물을 형성하며, 착물이 형성된 금속이온은 화학발광에 참여하지 않는다. 반면, 크롬[Ⅲ]는 EDTA와 반응 시 다른 금속이온에 비해 상대적으로 느린 속도로 착물을 형성하므로, 시료 내에 크롬을 선택적으로 분석하는데 적용이 가능하다.The effect of the interfering metal ions can be removed using EDTA. EDTA reacts with metal ions to form complexes under basic conditions, and complexed metal ions do not participate in chemiluminescence. On the other hand, chromium [III] forms a complex at a relatively slow rate compared to other metal ions when it reacts with EDTA, so that chromium can be selectively analyzed in the sample.
도 10은 크롬[Ⅲ]와 철[Ⅱ]가 혼합된 시료에 EDTA의 유무와 환원제의 유무에 따른 크롬[Ⅲ]의 화학발광신호를 나타낸 그래프이다. 도 10에서 (a)는 500 ppb 크롬[Ⅲ]만 용해되어 있는 시료로부터 측정된 화학발광신호로 다른 시료들의 화학발광세기에 기준이 되는 것으로 (a)의 화학발광세기를 100%로 정하였다.10 is a graph showing the chemiluminescence signal of chromium [III] depending on the presence or absence of EDTA and the presence of a reducing agent in a sample mixed with chromium [III] and iron [II]. 10 (a) is a chemiluminescence signal measured from a sample in which only 500 ppb of chromium [III] is dissolved. As a standard for the chemiluminescence intensity of other samples, the chemiluminescence intensity of (a) was set at 100%.
도 10에서 (b)는 500 ppb 크롬[Ⅲ]와 5 ppm 철[Ⅱ]가 용해된 시료를 EDTA를 넣지 않은 루미놀, 과산화수소로 분석한 것으로 117%의 화학발광세기를 나타낸다. 17%의 화학발광세기의 증가는 방해물질인 5 ppm 철[Ⅱ]로부터 발생한 것이다.In FIG. 10 (b), a sample in which 500 ppb chromium [III] and 5 ppm iron [II] are dissolved is analyzed by luminol and hydrogen peroxide not containing EDTA, showing a chemical luminescence intensity of 117%. An increase in the chemiluminescence intensity of 17% is due to the inhibitory substance, 5 ppm iron [II].
도 10에서 (c)는 (b)와 동일한 시료를 주입하고, 루미놀, 과산화수소가 용해된 완충용액에 각각 10 mM EDTA를 용해한 시약을 주입하여 측정한 화학발광신호로 (a)와 동일한 100%의 화학발광세기를 보였다. 상기한 결과로부터 10 mM EDTA를 사용하여 5 ppm 철[Ⅱ]에 의한 방해효과 없이 선택적으로 크롬[Ⅲ]를 검출할 수 있음을 확인하였다.10 (c) is a chemiluminescence signal obtained by injecting the same sample as in (b) and injecting a reagent in which 10 mM EDTA is dissolved in a buffer solution in which luminol and hydrogen peroxide are dissolved, respectively. Chemiluminescence intensity. From the above results, it was confirmed that chromium [III] could be selectively detected without interference with 5 ppm iron [II] using 10 mM EDTA.
도 10에서 (d)는 (c)와 동일한 실험조건에서 두 개의 시료 주입구 중에 하나의 주입구로 환원제를 주입하여 얻은 화학발광신호로 50%에 해당하는 화학발광세기를 보였다. 50%의 화학발광세기는 환원제의 주입으로 시료의 농도가 1/2로 희석되었기 때문이다. 상기 결과로부터 10 mM의 EDTA를 사용하였을 때 pH가 2.5인 환원제를 주입하여도 화학발광신호에 영향을 끼치지 않는다는 것을 알 수 있다.In FIG. 10 (d), the chemiluminescence signal obtained by injecting the reducing agent into one of the two sample injection ports under the same experimental conditions as in (c) shows a chemiluminescence intensity corresponding to 50%. The chemiluminescence intensity of 50% is due to dilution of the concentration of the sample by ½ with the injection of the reducing agent. From the above results, it can be seen that the use of 10 mM EDTA does not affect the chemiluminescence signal even when a reducing agent having a pH of 2.5 is injected.
도 10의 결과로부터 산성화로 인해 방해금속이온의 농도가 높아졌을 때에도, 분리과정 없이 EDTA를 사용하여 크롬[Ⅲ]와 크롬[Ⅳ]를 선택적으로 검출할 수 있음을 알 수 있다.From the results of FIG. 10, it can be seen that chromium [III] and chromium [IV] can be selectively detected using EDTA without separation even when the concentration of disturbing metal ions is increased due to acidification.
[실험예 8][Experimental Example 8]
본 실험예 8은 크롬[Ⅲ] 분석 시 증류수의 주입으로 인한 침전물의 발생 유무를 확인하기 위해 500 ppb 크롬[Ⅲ]와 5 ppm 철[Ⅱ]를 용해한 용액의 pH를 4.5로 조절하여 준비한 시료를 시료 주입구(11)와 환원제 주입구(12)로 주입하였을 때와, 시료 주입구(11)로 500 ppb 크롬[Ⅲ]와 철[Ⅱ]를 용해한 용액을 주입하고, 환원제 주입구(12)로 증류수를 주입하였을 때의 화학발광신호를 확인하였다.Experimental Example 8 was carried out in the same manner as in Example 1 except that 500 ppm of chromium [III] and 5 ppm of iron [II] were dissolved in the solution of pH 4.5 to prepare precipitates due to injection of distilled water during chromium [III] A solution of 500 ppb of chromium [III] and iron [II] dissolved in the
종래기술은 시료 내에 크롬[Ⅲ] 검출 시 두 개의 주입구 중에 하나의 주입구로 증류수(pH 5.8~6.2)를 주입하였다. 상기의 경우 환원채널(20)에서 시료와 증류수가 섞이는 과정에서 시료의 pH가 변하여 크롬[Ⅲ]의 침전을 유발할 수 있다.In the prior art, distilled water (pH 5.8 to 6.2) was injected into one of two injection ports when chromium [III] was detected in the sample. In this case, during the mixing of the sample and the distilled water in the reducing
도 11은 크롬[Ⅲ]와 철[Ⅱ]가 혼합된 시료에 증류수를 주입하여 얻은 크롬[Ⅲ]의 화학발광신호를 나타낸 그래프이다. 도 11에서 (a)는 500 ppb 크롬[Ⅲ]를 시료 주입구(11)와 환원제 주입구(12)로 주입하여 얻은 화학발광신호로 이것의 화학발광세기를 100%로 정하였다. 도 11에서 (b)는 pH 4.5의 500 ppb 크롬[Ⅲ]와 5 ppm 철[Ⅱ]를 용해한 시료를 시료 주입구(11)와 환원제 주입구(12)로 각각 주입하여 얻은 화학발광신호로 도 11에서 (a)보다 17% 높은 화학발광세기를 보였다. 도 11에서 (d)만 시약에 EDTA를 첨가하여 화학발광신호를 얻었다. 따라서 도 11의 (b)에서 17%의 화학발광세기의 증가는 5 ppm 철[Ⅱ]에 의한 방해효과로부터 발생한 것이다. 11 is a graph showing a chemiluminescence signal of chromium [III] obtained by injecting distilled water into a sample mixed with chromium [III] and iron [II]. 11 (a) is a chemiluminescence signal obtained by injecting 500 ppb chromium [III] into the
도 11에서 (c)는 시료 주입구로는 500 ppb 크롬[Ⅲ]와 5 ppm 철[Ⅱ]를 용해한 시료를 주입하고, 환원제 주입구로는 증류수를 주입하여 얻은 화학발광신호이다. 만약 증류수의 주입으로 시료가 어떠한 영향도 받지 않았다면, 시료의 농도가 1/2로 희석되어 58.5%의 화학발광세기를 보여야 한다. 그러나 도 11에서 (c)는 17.3%의 화학발광세기를 보였다. 이는 환원채널에서 pH 4.5의 시료가 증류수와 섞인 후 pH가 높아져 크롬[Ⅲ]의 침전 또는 철과 크롬의 공침현상이 발생하여 화학발광세기가 41.2% 줄어든 것이다. 도 11에서 (d)는 (c)와 동일한 방법으로 시료와 증류수를 주입하고, EDTA가 용해된 시약을 주입하여 얻은 화학발광신호로 시료 내에 용존된 상태로 남아있는 철[Ⅱ]가 EDTA에 의해 제거되어 5.4%의 화학발광세기가 감소한 것을 의미한다. 상기 결과로부터 화학발광법으로 크롬[Ⅲ]를 검출할 때, 증류수를 주입하면 분석오차가 발생하고, 이러한 경우 EDTA를 주입한다고 하더라도 다른 금속이온들에 의한 방해효과를 제거할 수 없음을 알 수 있다.11 (c) is a chemiluminescence signal obtained by injecting 500 ppb chromium [III] and 5 ppm iron [II] as a sample inlet and distilled water as a reducing agent inlet. If the sample is not affected by the injection of distilled water, the concentration of the sample should be diluted to 1/2 and show a chemiluminescence intensity of 58.5%. However, Fig. 11 (c) shows a chemiluminescence intensity of 17.3%. This is due to precipitation of chromium [III] or coprecipitation of iron and chromium due to the increase of pH after the sample of pH 4.5 mixed with distilled water in the reduction channel, resulting in a decrease of the chemiluminescence intensity by 41.2%. FIG. 11 (d) is a graph showing the results of a chemical emission signal obtained by injecting a sample and distilled water in the same manner as in FIG. 11 (c) and injecting a reagent dissolved with EDTA. As a result, iron [II] Which means that the chemiluminescence intensity of 5.4% is decreased. From the above results, when chromium [III] is detected by the chemiluminescence method, analysis error occurs when distilled water is injected. In this case, even if EDTA is injected, the interference effect by other metal ions can not be removed .
[실험예 9][Experimental Example 9]
본 실험예 9에서는 EDTA를 첨가하지 않은 시약과 10 mM의 EDTA를 첨가한 시약을 사용하여 루미놀 화학발광반응에 참여하는 철[Ⅱ], 코발트[Ⅱ], 구리[Ⅱ], 니켈[Ⅱ]와 크롬이 혼합된 pH 4.5인 시료의 화학발광을 검출하였다.In Experimental Example 9, iron [II], cobalt [II], copper [II], nickel [II] and the like participating in the luminol chemiluminescence reaction were reacted with a reagent to which EDTA was not added and 10 mM of EDTA Chemiluminescence of a sample with pH of 4.5 mixed with chromium was detected.
500 ppb의 크롬[Ⅲ]와 상기 방해금속이온들 각각이 500 ppb 또는 5 ppm 용해된 시료에 pH를 질산을 이용하여 4.5로 조절하였다. 이때, pH 조절에 사용되는 질산용액의 부피는 시료 부피의 1/1000 이하로 시료 내에 크롬과 방해금속의 농도 변화는 무시할 만 하다. 그리고 500 ppb의 총크롬(250 ppb의 크롬[Ⅲ]와 250 ppb의 크롬[Ⅳ]를 포함)과 방해금속이온들 각각이 500 ppb 또는 5 ppm 용해된 시료에 질산을 이용하여 pH를 4.5로 조절하였다.500 ppb of chromium [III] and 500 ppm of each of the interfering metal ions dissolved in 5 ppm were adjusted to pH 4.5 with nitric acid. At this time, the volume of the nitric acid solution used for adjusting the pH is 1/1000 or less of the volume of the sample, and the concentration change of the chromium and the interfering metal in the sample is negligible. And 500 ppb total chromium (including 250 ppb of chromium [Ⅲ] and 250 ppb of chromium [Ⅳ]) and disturbing metal ions of 500 ppb or 5 ppm dissolved in nitric acid to adjust the pH to 4.5 Respectively.
화학발광시약은 10 mM의 EDTA를 첨가한 완충용액과 EDTA를 첨가하지 않은 완충용액에 루미놀과 과산화수소를 각각 넣어 제조하였다.The chemiluminescent reagent was prepared by adding 10 mM EDTA buffer solution and laminol and hydrogen peroxide to the buffer solution without EDTA.
[표 1][Table 1]
[표 1]은 500 ppb의 크롬[Ⅲ]와 방해금속이온이 용해된 시료의 경우 500 ppb 크롬[Ⅲ] 시료의 화학발광세기를 100%로 정하고, 500 ppb 총크롬과 방해금속이온이 용해된 시료의 경우, 500 ppb의 총크롬 시료의 화학발광세기를 100%로 하여 EDTA를 첨가하지 않은 화학발광시약과 10 mM의 EDTA를 첨가한 화학발광시약을 주입하였을 때 각 시료에 대한 화학발광세기를 나타낸 것이다. 화학발광세기 옆의 괄호에 표기한 값은 각 시료에 대한 화학발광세기를 3번 측정하여 얻은 상대표준편차이다.In Table 1, the chemical luminescence intensity of 500 ppb chromium [III] and 500 ppb chromium [III] sample are set at 100%, and 500 ppb total chromium and interfering metal ions are dissolved In the case of the sample, when the chemiluminescence intensity of 500 ppb total chromium sample was 100%, and the chemiluminescence reagent without EDTA and 10 mM EDTA were injected, the chemiluminescence intensity of each sample was measured . The value in parentheses next to the chemiluminescence intensity is the relative standard deviation obtained by measuring the chemiluminescence intensity for each sample three times.
EDTA를 첨가하지 않은 시약을 주입하였을 때, 시료에 존재하는 방해금속이온에 의해 측정된 화학발광세기는 100%를 초과하였다. 그러나 10 mM의 EDTA를 첨가한 화학발광시약을 사용한 경우에는 검출채널에서 방해금속이온이 EDTA에 의해 제거되어 500 ppb의 크롬[Ⅲ], 500 ppb의 총크롬 표준시료의 화학발광세기와 같은 것을 알 수 있으며, 방해금속이온의 농도가 크롬 농도의 10배(5 ppm)인 시료에 대해서도 방해효과 없이 500 ppb의 크롬[Ⅲ]와 총크롬을 선택적으로 분석할 수 있다.When a reagent without EDTA was added, the intensity of chemiluminescence measured by the interfering metal ions in the sample exceeded 100%. However, in the case of using a chemiluminescent reagent containing 10 mM of EDTA, the disturbing metal ion was removed by EDTA in the detection channel, so that the same chemiluminescent intensity as 500 ppb of chromium [III] and 500 ppb of total chromium standard sample And 500 ppb of chromium [III] and total chromium can be selectively analyzed without disturbing effect even for samples with a concentration of disturbing metal ions of 10 times (5 ppm).
[실험예 10][Experimental Example 10]
본 실험예 10은 본 실시예에 따른 검출장치의 성능을 확인하기 위해 공장에서 채수한 시료 내에 총크롬과 크롬[Ⅲ], 크롬[Ⅳ]의 농도를 분석한 것이다. 0.45 μm pore를 갖는 필터를 거친 시료를 미세유체칩에 주입하여 크롬 농도를 측정하였다.In Experimental Example 10, the concentrations of total chromium, chromium [III] and chromium [IV] were analyzed in a sample collected at a factory to confirm the performance of the detection apparatus according to the present embodiment. The chromium concentration was measured by injecting a sample with a filter of 0.45 μm pore into the microfluidic chip.
표 2는 시료 내에 총크롬과 크롬[Ⅲ], 크롬[Ⅳ]의 농도를 분석한 결과와 원자흡광광도법과 흡광법으로 분석한 결과를 비교한 것으로 원자흡광광도법은 총크롬 농도만을 분석할 수 있으며, 검출한계는 20 ppb이다. 그리고 흡광법은 크롬[Ⅳ]와1,5-디페닐카바자이드(1,5-diphenylcarbazide)의 반응으로 생성되는 붉은색 착물의 540 nm의 파장에서의 흡수도를 자외선-가시광선 분광광도계로 측정하여 분석하였으며, 다른 물질에 의한 방해효과가 없어 크롬[Ⅳ] 분석에 있어 선택성이 높은 분석법이다.Table 2 compares the concentrations of total chromium, chromium [III] and chromium [IV] in the sample and the results of the atomic absorption spectrophotometry and the absorption spectrometry. The atomic absorption spectrophotometry can only analyze the total chromium concentration , And the detection limit is 20 ppb. The absorption spectrum of the red complex produced by the reaction of chromium [Ⅳ] with 1,5-diphenylcarbazide is measured by ultraviolet-visible spectrophotometer at 540 nm wavelength. , And it has high selectivity for chromium [IV] analysis because there is no interference effect by other substances.
본 실험예 10에 따른 시료 내의 크롬을 본 실시예에 따른 미세유체칩을 사용하여 화학발광법으로 분석한 결과 시료 1, 시료 2, 시료 3에 포함된 총크롬의 농도는 각각 137 ppb, 112 ppb, 128 ppb로 원자흡광광도법으로 분석한 결과와 유사하고, 각각의 시료에 대해 세 번 분석한 결과 원자흡광광도법 보다 더 낮은 상대표준편차를 얻었다.The chromium in the sample according to Experimental Example 10 was analyzed by the chemiluminescence method using the microfluidic chip according to the present embodiment. As a result, the concentrations of total chromium contained in Sample 1, Sample 2 and
[표 2][Table 2]
화학발광법으로 분석한 크롬[Ⅲ]의 농도는 시료 1, 시료 2, 시료 3 각각 27 ppb, 20 ppb, 28 ppb로 원자흡광광도법으로 분석한 총크롬 농도에서 흡광법으로 분석한 크롬[Ⅳ]의 농도를 감하여 계산한 크롬[Ⅲ] 농도와 유사함을 확인하였다. 크롬[Ⅳ]의 농도는 총크롬과 크롬[Ⅲ]의 농도를 이용하여 계산한 값과 흡광법으로 분석한 크롬[Ⅳ]의 농도가 유사함을 확인하였다. 이와 같이 본 실시예에 따른 크롬 검출장치를 이용하여 분석한 총크롬과 크롬[Ⅲ], 크롬[Ⅳ]의 농도는 정확하게 측정된 것을 알 수 있다.The concentration of chromium [Ⅲ] analyzed by chemiluminescence method was measured by the atomic absorption spectrophotometry of 27 ppb, 20 ppb and 28 ppb of sample 1, sample 2 and
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, Of course.
10: 상판 11, 12: 시료 주입구
13, 14: 시약 주입구 11a, 12a: 시료채널
13a, 14a: 시약채널 15: 환원채널
16: 시약 혼합채널 17: 검출채널
18: 용액 배출구 20: 하판
21: 검출부 30: 미세유체칩
31, 32, 33, 34, 35: 체결부 41: 하우징
42: 검출기 51: 공급부
52, 53: 시료 주입관 54, 55: 시약 주입관
61: 전원 62: 디지털 멀티미터
63: 컴퓨터10:
13, 14:
13a, 14a: Reagent channel 15: Reduction channel
16: reagent mixing channel 17: detection channel
18: Solution outlet 20: Lower plate
21: detecting section 30: microfluidic chip
31, 32, 33, 34, 35: fastening portion 41: housing
42: detector 51:
52, 53: sample injection tube 54, 55: reagent injection tube
61: power supply 62: digital multimeter
63: Computer
Claims (15)
상기 검출채널과 마주하며 빛이 투과하도록 형성된 검출부를 구비하며 상기 제1 기판에 결합되는 제2 기판;을 포함하며,
상기 제1 기판과 제2 기판은 빛을 흡수할 수 있는 색을 갖는 물질로 이루어지거나, 빛을 흡수할 수 있는 색으로 착색된 미세유체칩.A reagent mixing channel for mixing a reagent and a reducing channel for mixing a sample and a reagent; and a first substrate having a reducing channel and a reagent mixing channel connected in parallel at one end and a detection channel connected to an outlet at the other end; And
And a second substrate coupled to the first substrate, the second substrate having a detection portion formed to face the detection channel and transmitting light therethrough,
Wherein the first substrate and the second substrate are made of a material having a color capable of absorbing light or colored with a color capable of absorbing light.
상기 환원채널은 상기 시약 혼합채널보다 더 길게 형성된 미세유체칩.The method according to claim 1,
Wherein the reducing channel is longer than the reagent mixing channel.
상기 제1 기판에는 시료의 주입을 위한 시료 주입구와 환원제의 주입을 위한 환원제 주입구가 형성되고, 상기 시료 주입구는 시료채널을 매개로 환원채널과 연결되고, 상기 환원제 주입구는 환원제채널을 매개로 환원채널과 연결된 미세유체칩.3. The method of claim 2,
A sample inlet for injecting a sample and a reducing agent inlet for injecting a reducing agent are formed on the first substrate, the sample inlet is connected to a reducing channel via a sample channel, and the reducing agent inlet is connected to a reducing channel And a microfluidic chip connected thereto.
상기 제1 기판에는 제1 시약의 주입을 위한 제1 시약 주입구와 제2 시약의 주입을 위한 제2 시약 주입구가 형성되고, 상기 제1 시약 주입구는 제1 시약채널을 통해서 시약 혼합채널과 연결되며, 상기 제2 시약 주입구는 제2 시약채널을 통해서 시약 혼합채널과 연결된 미세유체칩.5. The method of claim 4,
A first reagent injection port for injecting the first reagent and a second reagent injection port for injecting the second reagent are formed on the first substrate and the first reagent injection port is connected to the reagent mixing channel through the first reagent channel, And the second reagent inlet is connected to the reagent mixing channel through the second reagent channel.
상기 검출채널은 중첩 배치되며 일측 단부와 타측 단부가 교호적으로 연결되고, 중앙에서 양쪽 측단으로 갈수록 감소하도록 형성된 미세유체칩.3. The method of claim 2,
Wherein the detection channels are superposed and one end and the other end are alternately connected, and the microchip chip is formed so as to decrease from the center toward both ends.
상기 환원채널과 상기 시약 혼합채널은 중첩 배치되며 일측 단부와 타측 단부가 교호적으로 연결된 미세유체칩.3. The method of claim 2,
Wherein the reducing channel and the reagent mixing channel are overlapped and one end and the other end are alternately connected.
상기 검출부와 마주하도록 배치된 검출기; 및
상기 미세유체칩에 시료 및 시약을 공급하는 공급부;
를 포함하며,
상기 제1 기판과 제2 기판은 빛을 흡수할 수 있는 색을 갖는 물질로 이루어지거나, 빛을 흡수할 수 있는 색으로 착색된 크롬 검출장치.A reagent mixing channel for mixing a sample and a reagent and a reagent mixing channel for mixing the reagent and a first substrate having the reduction channel and the reagent mixing channel connected in parallel at one end and the detection channel connected to the outlet at the other end, A microfluidic chip including a second substrate coupled to the first substrate, the microfluidic chip having a detection unit facing the detection channel and configured to transmit light;
A detector arranged to face the detector; And
A supply part for supplying a sample and a reagent to the microfluid chip;
/ RTI >
Wherein the first substrate and the second substrate are made of a material having a color capable of absorbing light or colored with a color capable of absorbing light.
상기 환원채널은 상기 시약 혼합채널보다 더 길게 형성된 크롬 검출장치.9. The method of claim 8,
Wherein the reducing channel is longer than the reagent mixing channel.
상기 제1 기판에는 시료의 주입을 위한 시료 주입구와 환원제의 주입을 위한 환원제 주입구, 제1 시약의 주입을 위한 제1 시약 주입구, 및 제2 시약의 주입을 위한 제2 시약 주입구가 형성된 크롬 검출장치.10. The method of claim 9,
The first substrate is provided with a chromium detection device having a sample inlet for injecting a sample, a reducing agent inlet for injecting a reducing agent, a first reagent inlet for injecting the first reagent, and a second reagent inlet for injecting the second reagent, .
상기 공급부는 상기 시료 주입구로 시료를 공급하고, 상기 환원제 주입구로 아황산칼륨을 공급하며, 상기 제1 시약 주입구로 염기성 조건의 완충용액에 용해된 루미놀을 공급하고, 상기 제2 시약 주입구로 염기성 조건의 완충용액에 용해된 과산화수소를 공급하는 크롬 검출장치.12. The method of claim 11,
Wherein the supply unit supplies the sample to the sample injection port, supplies the potassium sulfite to the reducing agent inlet, supplies the dissolved luminol to the first reagent injection port in the buffer solution of the basic condition, A chromium detection device for supplying hydrogen peroxide dissolved in a buffer solution.
상기 공급부는 상기 제1 시약 및 상기 제2 시약과 함께 브롬이온을 상기 미세유체칩으로 공급하는 크롬 검출장치.13. The method of claim 12,
And the supply unit supplies bromine ions to the microfluidic chip together with the first reagent and the second reagent.
상기 공급부는 상기 제1 시약 및 상기 제2 시약과 함께 에틸렌디아민테트라아세트산(EDTA; ethylenediaminetetraacetic acid)을 상기 미세유체칩으로 공급하는 크롬 검출장치.13. The method of claim 12,
Wherein the supply unit supplies ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) together with the first reagent and the second reagent to the microfluidic chip.
상기 검출채널은 중첩 배치되며 일측 단부와 타측 단부가 교호적으로 연결되고, 중앙에서 양쪽 측단으로 갈수록 감소하도록 형성된 크롬 검출장치.10. The method of claim 9,
Wherein the detection channels are superposed and one end portion and the other end portion are alternately connected to each other, and the chrome detection device is configured to decrease from the center to both side ends.
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