KR101469138B1 - 바이오 센서 및 그 센싱방법 - Google Patents

바이오 센서 및 그 센싱방법 Download PDF

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Abstract

수중(水中)의 미생물을 감지하는 바이오 센서에 관한 것으로, 바이오 센서는, 광 조사 및 광 조사의 중단을 복수회 수행하는 광원부; 상기 바이오 센서 전면에 마련되어, 상기 광원부로부터 조사된 광을 상기 바이오 센서 외부로 통과시키고, 상기 미생물로부터 반사된 형광을 상기 바이오 센서 내부로 통과시키는 통로부; 및 상기 광원부의 광 조사가 중단되는 동안, 상기 통과된 형광을 검출하는 검출부; 를 포함하는 센서모듈; 및 상기 수중에서 상기 센서모듈을 보호하는 케이스; 를 포함할 수 있다.
이와 같은 바이오 센서 및 바이오 센서의 센싱방법에 의하면, 광을 간헐적으로 조사하며, 편차를 두어 반사광을 검출하므로 광원부의 장시간 사용이 가능하다. 따라서, 바이오 센서의 유지관리비용을 절감시킬 수 있다. 또한, 광원부를 포함한 모듈을 간소화하여, 탈착 가능하도록 구성하였기 때문에 바이오 센서의 유지관리효율을 향상시킬 수 있다. 한편, 수질검사 및 수질관리 분야뿐만 아니라, 미생물에 광을 조사하고 검출하는 다양한 분야에까지 기술적 적용이 가능해 진다.

Description

바이오 센서 및 그 센싱방법{BIOSENSOR AND METHOD FOR SENSING THE SAME}
수처리 시스템에 이용되는 바이오 센서 및 그 센싱방법에 관한 것이다.
산업발전과 함께 각종 산업폐수가 자연환경으로 배출됨으로써 호수, 강, 해안 등의 수질을 오염시킬 뿐만 아니라, 오염된 수질 환경에서 생장 및 서식하는 동식물로의 2차적 오염으로 인해 인간의 건강과 생명에까지 피해를 야기하게 되었다. 따라서 세계적으로 수질 오염을 방지하고자 생화학적 산소 요구량(BOD), 화학적 산소요구량(BOD) 등의 허용기준을 설정하고 허용기준의 초과 배출을 규제하고 있다.
이에 대응하여 수질 모니터링을 위한 다양한 방법, 수처리를 위한 다양한 시스템에 대한 연구가 이루어지게 되었으며, 수질 모니터링및 수처리 시스템에 이용되는 센서로는 수중에 존재하는 용존산소(DO), 산알카리(pH), 산화환원전극(ORP) 등의 농도를 측정하는 전기화학센서 또는 광학센서가 많이 사용되어 왔다.
여기서, 전기화학센서는 전류, 전위, 하전과 화학인자의 관계에 따른 전기량의 변화를 감지하여 전기적 신호로 변환해주는 센서를 의미하며, 광학센서는 색, 흡광, 형광 등의 광학적 성분을 전기적 신호로 변환해주는 센서를 의미한다.
최근에는 효소, 미생물 등 생체 물질을 측정하는 바이오 센서 등이 개발되고 있으며, 이를 수질 모니터링 또는 수처리 시스템에 적용시키고자 하는 사용자 니즈도 증가하고 있는 실정이다.
수처리 시스템에 이용되는 바이오 센서 및 그 센싱방법, 보다 구체적으로 수처리를 위해 수중의 미생물을 측정하는 바이오 센서 및 그 센싱방법을 제공한다.
상술한 과제를 해결하기 위하여, 다음과 같은 바이오 센서 및 바이오 센서의 센싱방법이 제공된다.
수중(水中)의 미생물을 감지하는 바이오 센서는, 광 조사 및 광 조사의 중단을 복수회 수행하는 광원부; 상기 바이오 센서 전면에 마련되어, 상기 광원부로부터 조사된 광을 상기 바이오 센서 외부로 통과시키고, 상기 미생물로부터 반사된 형광을 상기 바이오 센서 내부로 통과시키는 통로부; 및 상기 광원부의 광 조사가 중단되는 동안, 상기 통과된 형광을 검출하는 검출부; 를 포함하는 센서모듈; 및 상기 수중에서 상기 센서모듈을 보호하는 케이스; 를 포함할 수 있다.
상기 광원부는, 각 회당 5밀리초(msec) 이내로 광 조사를 지속할 수 있다.
또한, 상기 광원부는, 광 조사 시점으로부터 5초(sec) 이내에 다음회의 광 조사를 수행할 수 있다.
상기 검출부는, 각 회당 광 조사의 중단 시점으로부터 10-9 초(sec) 이내에 형광 검출을 완료할 수 있다.
바이오 센서는, 상기 광원부가 조사하는 광의 파장대, 상기 광원부의 광 조사 시점, 광 조사의 지속 시간, 광 조사의 중단 시점, 광 조사 중단의 지속 시간 및 광 조사의 횟수 중 적어도 하나를 제어하는 제어부; 를 더 포함할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 검출부가 검출하는 형광의 파장대, 상기 검출부의 검출 시점, 검출의 완료 시간 및 검출 횟수 중 적어도 하나를 제어할 수 있다.
바이오 센서는, 상기 광원부 및 검출부와 상기 통로부 사이에 마련되어, 상기 광원부가 조사하는 광의 파장대와 상기 검출부가 검출하는 파장대가 중복되지 않도록 필터링을 수행하는 필터링부; 를 더 포함할 수도 있다.
상기 필터링부는, 상기 조사된 광에서 자외선만을 통과시키고, 상기 반사된 형광에서 가시광선만을 통과시킬 수 있다.
한편, 상기 센서모듈은, 상기 케이스에 착탈 가능하도록 마련될 수 있다.
그리고 상기 통로부는, 석영(Quartz), 파이렉스(Pyrex), 유리(Glass), 아크릴(Acryl), 광섬유, 글래스 샤프트(Glass Shaft) 중 적어도 하나로 형성될 수 있다.
상기 케이스는, 스테인레스(stainless) 재질로 형성될 수 있다.
수중(水中)의 미생물을 감지하는 바이오 센서의 센싱방법은, 광원부가 광 조사 및 광 조사의 중단을 복수회 수행하고; 상기 바이오 센서 전면에 마련된, 통로부가 상기 광원부로부터 조사된 광을 상기 바이오 센서 외부로 통과시키고, 상기 미생물로부터 반사된 형광을 상기 바이오 센서 내부로 통과시키고; 및 상기 광원부의 광 조사가 중단되는 동안, 검출부가 상기 통과된 형광을 검출하는; 것을 포함할 수 있다.
바이오 센서의 센싱방법은, 상기 광원부 및 검출부와 상기 통로부 사이에 마련된, 필터링부가 상기 광원부가 조사하는 광의 파장대와 상기 검출부가 검출하는 파장대가 중복되지 않도록 필터링을 수행하는; 것을 더 포함할 수 있다.
상기 광원부는, 각 회당 5밀리초(msec) 이내로 광 조사를 지속하는 바이오 센서의 센싱방법일 수도 있다.
또한, 상기 관원부는, 광 조사 시점으로부터 5초(sec) 이내에 다음회의 광 조사를 수행하는 바이오 센서의 센싱방법일 수도 있다.
상기 검출부는, 각 회당 광 조사의 중단 시점으로부터 10-9 초(sec) 이내에 형광 검출을 완료하는 바이오 센서의 센싱방법인 것도 가능하다.
이와 같은 바이오 센서 및 바이오 센서의 센싱방법에 의하면, 광을 간헐적으로 조사하며, 편차를 두어 반사광을 검출하므로 광원부의 장시간 사용이 가능하다. 따라서, 바이오 센서의 유지관리비용을 절감시킬 수 있다. 또한, 광원부를 포함한 모듈을 간소화하여, 탈착 가능하도록 구성하였기 때문에 바이오 센서의 유지관리효율을 향상시킬 수 있다. 한편, 수처리 및 수질관리 분야뿐만 아니라, 미생물에 광을 조사하고 검출하는 다양한 분야에까지 기술적 적용이 가능해 진다.
도 1은 수처리시스템의 구성 및 공정을 예시한 도면이다.
도 2는 조효소의 농도를 측정하여 미생물의 반응단계를 판단 및조절하기 위한 시스템의 구성을 예시한 도면이다.
도 3은 바이오 센서의 외부 형태를 예시한 사시도이다.
도 4는 바이오 센서의 하부캡 및 상부캡을 설명하기 위한 측면도이다.
도 5a는 바이오 센서의 내부 형태를 예시한 단면도이다.
도 5b는 센서모듈의 일 실시예에 따른 구성도이다.
도 6은 간헐조사를 설명하기 위한 개념도이다.
도 7은 조효소로부터 반사되는 광을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 편차검출을 설명하기 위한 개념도이다.
도 9는 센서모듈의 다른 실시예에 따른 구성도이다.
도 10은 바이오 센서의 센싱방법의 일 실시예에 따른 흐름도이다.
도 11은 바이오 센서의 센싱방법의 다른 실시예에 따른 흐름도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 바이오 센서 및 바이오 센서의 센싱방법을 후술된 실시예들에 따라 상세하게 설명하도록 한다.
도 1은 수처리 시스템의 구성 및 공정을 예시한 도면으로, 외부로부터 유입된 하수 또는 폐수와 같은 오수(汚水)는 다수의 수처리 단계를 거치게 된다.
구체적으로, 수처리 시스템은 스크린 및 침사지(3), 제 1침전지(4), 생물 반응조(5), 제 2침전지(6), 소독 및 방류조(7), 농축조(8) 및 슬러지 저류조(9)를 포함하여, 유입된 오수에 대해 수처리를 수행할 수 있다.
스크린 및 침사지(3)는 오수와 함께 흘러들어 온 큰 오염물을 제거하는 구성이다. 오수 속에 포함된 모래나 흙을 비롯하여 기타 물보다 무거운 입자 성분의 물질들은 스스로 침전되고, 이와 같이 침전된 물질은 침사인양기 등을 통해 바닥에서 제거된다. 물에 뜨는 물질이라도 비닐이나 유기체 조각, 나무나 헝겊 등 부피가 큰 물질은 스크린을 통해 걸러진다. 이에 따라 시설 내 기계류의 마모나 관로의 막힘을 방지하고, 후속 공정에서의 처리효율을 높일 수 있게 된다.
제 1침전지(4)는 스크린 및 침사지(3)로부터 모래 등이 제거된 오수를 받아 오랜 시간동안 체류시킴으로서, 오수 중 비교적 미세한 물질들까지 침전시킨다. 제 1침전지에 가라앉은 침전물(즉, 생슬러지)은 농축조(8)로 보내진다. 한편, 제 1침전지의 상등수(즉, 위에 뜬 물)는 표면에 떠다니는 부유물 등이 기계적 설비를 통해 제거된 후 다음 공정인 생물 반응조(5)로 보내진다. 제 1침전지에 유입되는 유량을 분배 및 조절하여 유입부하량을 균질화하기 위한 유량조정조가 제 1침전지 앞단에 마련될 수도 있다.
생물 반응조(5)는 생물학적 처리 공정 또는 활성슬러지 공정이 이루어지는 구성이다. 구체적으로, 생물 반응조(5)는 송풍기를 연결한 산기장치 혹은 기계식 폭기장치 등을 통해 공기를 공급하고, 오수 중의 산소 농도를 적절히 유지시킨다. 즉, 용존산소(DO) 농도를 조절하여미생물의 대량증식이 가능하도록 한다. 혐기성 미생물은 무산소 영역에서 탈질소화 과정을 통해, 그리고 호기성 미생물은 호기 영역에서 질산화 과정을 통해 오수 속의 유기물을 활발히 분해, 섭취하여 몸체를 불리게 된다. 미생물은 플록(floc)이라는 덩어리를 이루어 오수 속의 미세한 유기물에 흡착하기도 한다. 이와 같이 생물 반응조(5)에서 성장한 미생물의 덩어리는 유기물을 활발히 섭취하여 제거하는 능력이 있어 활성슬러지라고 불린다.
제 2침전지(6)는 생물 반응조(5)에서 성장한 활성슬러지를 제거하는 구성이다. 다시 말하면, 활성슬러지의 침전성을 이용하여 제 2침전지(6)에 침전시킨 후, 오염물이 제거되어 깨끗해진 상등수만을 소독 및 방류조(7)로 유출한다. 활성 슬러지의 표면에는 미처 분해되지 못한 유기물이 같이 부착되어 있으므로, 침전에 의해 분리된 고형물 중 일부를 생물 반응조(5)로 반송한다. 반송되지 않은 여분이 슬러지 즉, 잉여슬러지는 농축조(8)로 보내진다.
소독 및 방류조(7)는 제 2침전지(6)의 처리수에 함유되어 있는 세균류를 염소 소독이나 자외선 조사 등을 통해 살균하고, 소독 처리된 물을 최종적으로 수역에 방류한다.
농축조(8)는 제 1침전지에서 분리된 생슬러지와 제 2침전지에서 발생한 잉여슬러지를 혼합 유입시키고, 농축시킨 후 슬러지 저류조(9)로 이송시킨다. 다시 말하면, 농축조(8)는 혼합된 슬러지를 고액 분리하여 슬러지의 부피를 감소시키고 농도를 높이는 공정을 수행한다.
슬러지 저류조(9)는 농축조(8)로부터 농축된 슬러지를 모아 소정 기간 체류시키고, 슬러지를 후속의 탈수시설에 연속적으로 혹은 일시적으로 반출시킨다. 이는 농축조(8)와 탈수시설의 운전시간을 조정하기 위해 마련된다.
상술한 바와 같이 수처리 시스템은 다수의 공정을 거치면서 유입된 오수를 정화시킨다. 각각의 공정은 시간적으로 분리되어 별도로 수행되기 때문에, 각각의 공정을 수행하기 위한 시간적 요소가 수처리 결과에 큰 요인으로 작용한다. 특히, 생물 반응조(5)가 정해진 시간내에 활성슬러지 공정을 수행함에 있어, 생물 반응조(5)에 공급되는 공기의 양 혹은 미생물의 반응단계에 따라 활성슬러지 공정의 효율이 달라지게 된다. 즉, 공기의 양에 따라 미생물의 증식 또는 미생물의 반응단계가 달라지고, 미생물의 반응단계에 따라 정해진 시간내에 질산화?탈질소화, 유기물이 분해되는 속도 및 흡착되는 속도 등이 달라지며, 이는 결국 수처리 결과에 영향을 준다.
바꾸어 말하면, 수처리 효율을 높이기 위해 생물 반응조(5)에 공급되는 공기의 양이 조절될 수 있으며, 공급될 공기의 양은 미생물의 반응단계에 따라 변화하는 조효소의 농도를 측정함으로써 결정될 수 있다.
도 2는 조효소의 농도를 측정하여 미생물의 반응단계를 판단 및 조절하기 위한 시스템의 구성을 예시한 도면이다. 이 때, 미생물의 반응단계를 판단 및 조절하기 위한 시스템을 이하 간단히 반응단계 제어 시스템이라 칭하기로 한다.
도 2를 참조하면, 반응단계 제어 시스템은 바이오 센서(Biosensor; 100), 반응단계 판단장치(20), 반응단계 조절장치(30), 인터페이스 장치(40) 및 공기 공급장치(50)를 포함할 수 있다.
바이오 센서(100)는 조효소의 농도를 측정하는 장치이다. 생물 반응조(5)에 전단부가 침수된 상태로 전원을 인가받으면, 바이오 센서(100)는 수중의 미생물에 340nm 파장대의 광을 조사하고, 미생물로부터 반사된 광을 검출한다. 이 때, 검출된 광이 조효소의 농도에 대응되는 것이며, 전기적 신호로 변환되어 반응단계 판단장치(20)로 전송된다. 바이오 센서(100)에 대한 더욱 구체적인 설명은 후술하기로 한다.
반응단계 판단장치(20)는 수중에 존재하는 미생물의 반응단계를 판단하는 장치로서, 다수의 수식과 조건식으로 구성되는 연산프로그램을 포함한다. 다시 말하면, 반응단계 판단장치(20)의 연산프로그램은 다수의 수식을 이용하여 바이오 센서(100)로부터 입력된 신호 취합하고, DO 농도, pH 농도 등과 같은 수처리 상태값을 연산한다. 또한, 마련된 조건식을 이용하여 연산된 수처리 상태값이 어떠한 반응단계를 나타내는지 예를 들어, 미생물이 탈질소화 과정에 있는지, 탈질소화 과정이 종료되었는지 또는 질산화 과정에 있는지 등을 판단한다.
반응단계 조절장치(30)는 판단된 미생물의 반응상태에 기초하여 생물반응조(5)에 공급할 공기의 양을 조절하는 장치이다. 구체적으로, 반응단계 조절 장치(30)는 PLC(Programmable Logic Coltroller) 등으로 구현되어, 생물 반응조(5)에 공급할 공기의 양을 결정하고, 공기 공급장치(50)의 구동을 제어하여 결정된 양에 따라 공기가 공급되도록 한다.
예를 들어, 반응단계 판단장치(20)가 탈질소화 과정이 종료된 상태라고 판단하면, 반응단계 조절장치(30)는 공기 공급장치(50)를 구동시켜 생물반응조(5)에 공기가 공급되도록 제어한다. 이에 따라, DO 농도가 증가되고, 질산화 과정이 이루어지게 된다. 즉, 반응단계 조절 장치(30)는 공기의 공급을 제어함으로써, 미생물의 반응단계를 조절하는 것이다.
한편, 인터페이스 장치(40)는 HMI(Human Machine Interface) 등으로 구현되어 사용자 인터페이스를 제공하는 장치이다. 인터페이스 장치(40)는 사용자로부터 각종 명령을 입력받기 위한 입력부를 포함할 수 있다. 또한, 디스플레이부를 포함하여, 반응단계 제어 시스템의 작동을 위한 메뉴나 안내사항, 반응단계 판단장치(20)에서 판단된 값이나 반응단계 조절장치(30)에서 결정된 값 등을 디스플레이할 수도 있다.
이상으로 수처리 시스템 및 반응단계 제어 시스템에 대해 설명하였으나, 상술한 바는 일 예에 불과한 것으로, 수처리 시스템에 다른 공정이 부가되거나 생략될 수 있으며, 반응단계 제어 시스템에 다른 구성이 포함되거나 일부 구성이 생략될 수도 있다.
전술한 바 있듯이, 바이오 센서(100)는 광을 조사하고반사광을 검출하는 광학센서의 하나로서, 수중의 DO 농도, PH 농도 등을 측정하는 아니라 미생물 자체 더 정확하게 말하면, 미생물이 지니고 있는 조효소의 농도를 측정한다. 이하에서는 조효소의 농도를 측정하는 바이오 센서(100)의 구성 및 각 구성의 역할을 실시예들을 바탕으로 설명하기로 한다.
도 3은 바이오 센서의 외부 형태를 예시한 사시도이며, 도 4는 바이오 센서의 하부캡 및 상부캡을 설명하기 위한 측면도이다.
바이오 센서(100)는 도 3에 도시된 바와 같이 원기둥 형태로 제작될 수 있으나, 그 외에 사각 기둥 또는 다각 기둥 형태로 제작되는 것도 가능하다. 바이오 센서(100)의 케이스(101)는 스테인레스 강, 스테인레스 클래드강 등 스테인레스 재질로 구현될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 내부식성, 내열성, 내산성, 내압력 등이 요구되는 소재라면 제한되지 않고 적용될 수 있다.
바이오 센서(100)에는 하부캡(102)과 상부캡(103)이 케이스(101)에 착탈 가능하도록 마련될 수 있다. 조효소 측정 시, 바이오 센서(100)는 하부캡(102)과 상부캡(103)이 장착된 채로 수중에 침수되며, 하부캡(102)과 상부캡(103)의 장착으로 케이스(101) 내부에 물이 스며드는 현상을 차단시킬 수 있다.
또한, 하부캡(102)이나 상부캡(103)이 수압에 의해 탈거되는 것을 방지하기 위해, 하부캡(102)과 상부캡(103) 사이에 적어도 하나의 지지대(104)가 구비될 수 있다. 지지대(104)의 봉이나 막대 형태로 마련될 수 있으나, 그 형태에 제한되는 것은 아니다. 하부캡(102), 상부캡(103) 및 지지대(104) 또한 케이스(101)와 마찬가지로 내부식성, 내열성, 내산성, 내압력 등이 요구되는 소재로 구현될 수 있다.
하부캡(102)에는 후술될 센서모듈(110)이 케이스(101)에 삽입되는 경우, 센서모듈(110)의 통로부(300)가 외부에 연결되도록 홀(hole)이 마련된다. 홀의 내부 너비는 통로부(300)의 외부 너비와 대응되도록 마련되어, 외부의 물이 홀을 통해 스며드는 것을 방지한다.
상부캡(103)에는 케이블(105)이 케이스(101) 내부의 센서모듈(110)과 연결될 수 있도록 홀(hole) 및 조임나사(106)가 마련될 수 있다. 이 때, 외부의 물이 스며드는 것을 방지하기 위해, 홀의 내부 너비가 케이블의 외부 너비와 대응되도록 마련된다. 조임나사(106)는 상부캡(103) 외부에서 조여짐으로 방수 효과를 보조할 수 있을 뿐만 아니라, 연결된 케이블(105)을 고정시킬 수 있다.
한편, 케이블(105)은 바이오 센서(100)를 반응단계 판단장치(20)와 연결시키는 구성으로, 반응단계 판단장치(20)와 신호의 송수신을 위한 통신 케이블 및 반응단계 판단장치(20)로부터 전원을 공급받기 위한 전원 케이블을 포함할 수 있다. 반응단계 판단장치(20)가 아닌 외부 장치에서 전원을 공급받는 경우에는, 전원 케이블이 분리될 수 있으며, 반응단계 판단장치(20)와 무선 통신을 수행하는 경우에는, 통신 케이블이 생략될 수도 있다.
도 5a는 바이오 센서의 내부 형태를 예시한 단면도이며, 도 5b는 센서모듈의 일 실시예에 따른 구성도이다.
광검출을 위한 센서모듈(110)은 바이오 센서(100) 내부에 착탈 가능하도록 마련된다. 일 예로, 센서모듈(110)을 장착시키는 방법은 다음과 같다. 사용자는 하부캡(102) 또는 상부캡(103)을 탈거시키고, 센서모듈(110)을 케이스(101) 내부에 삽입한다. 삽입된 센서모듈(110)을 케이블(105)과 연결시키고, 탈거되었던 하부캡(102) 또는 상부캡(103)을 다시 장착시킨다. 센서모듈(110)이 장착된 바이오 센서(100)의 단면은 도 5a에 도시된 바와 같을 수 있다.
센서모듈(110)은 미생물 또는 미생물 내 조효소와 반응하여 반사된 광을 검출하기 위해 광원부(200), 통로부(300), 검출부(400), 신호처리부(450), 제어부(500), 전원부(120) 및 통신부(130)를 포함할 수 있다.
광원부(200)는 제논(xenon) 램프나 LED(Light Emitting Diode) 램프 등으로 구현되며, 제어부(500)의 제어신호에 따라 광을 간헐(間歇)조사한다. 이 때, 광원부(200)가 광을 조사하는 것을 광원부(200)가 발광한다라고 말할 수도 있다. 그리고 조사되는 광은 자외선이며, 더 정확하게는 미생물 내 조효소가 반응할 수 있는 340nm 파장대로 조사되는 것으로 한다.
광원부(200)의 간헐조사는 도 6을 참조하여 설명하도록 한다. 도 6은 간헐조사를 설명하기 위한 개념도이다.
광원부(200)는 정해진 시간 내에 연속적으로 발광하는 것이 아니라, 제어부(500)의 제어신호에 따라 소정의 시간간격을 두고 복수회 발광하며, 이와 같이 소정의 시간간격을 두고 발광하는 것을 간헐조사라 정의할 수 있다. 도 6을 참조하면, 시간 t11 내지 t12 동안 광원부(200)가 온(on)이 되어 340nm의 파장대로 발광하고, 이 발광신호는 미생물(혹은 조효소)에 출력된다. 시간 t12가 지나면, 광원부(200)가 오프(off)되어 발광이 중단된다. 시간 t21 내지 t22 동안 광원부(200)가 다시 온(on)되고, 그에 대응하여 340nm의 파장대로 발광한다. 즉, 발광신호가 미생물(혹은 조효소)에 다시 출력되게 된다.
이와 같은 방법으로, 시간 t11 내지 t12, t21 내지 t22, t31 내지 t32, t41 내지 t42 동안은 광원부(200)가 발광하고, 시간 t12 내지 t21, t22 내지 t31, t32 내지 t41 동안은 광원부(200)의 발광이 중단되는 것이다. 이 때, 발광이 지속되는 시간 즉, 발광시간은 각각 동일할 수도 있고, 서로 다를 수도 있다. 마찬가지로 발광이 중단되어 있는 시간도 각각 동일할 수도 있고 서로 다를 수도 있다.
다만, 발광시점으로부터 다음회의 발광시점까지의 시간은 5초(sec) 이하, 바람직하게는 3초 이하인 것으로 한다. 그리고 발광시간은 5밀리초(msec) 이하인 것으로 한다. 예를 들어, 시간 t11부터 t21까지는 3초이고, 이 중 시간 t11부터 t12까지는 2.5밀리초가 될 수 있다.
한편, 발광시점, 발광시간, 발광중단 시점 및 발광중단의 지속시간 등 광원부(200)의 온/오프(on/off) 및 간헐조사는 제어부(500)에 의해 제어될 수 있으며, 상술한 바와 같은 간헐조사에 의해 광원부(200)의 수명이 증대될 수 있다.
통로부(300)는 광원부(200)에서 조사된 광 및 조효소로부터 반사된 광이 통과되도록 통로 역할을 한다. 구체적으로, 340nm 파장대로 광원부(200)에서 조사된 광은 통로부(300)를 통해 바이오 센서(100)의 외부로 방출되고 미생물 내 조효소와 반응한다. 그리고 조효소와 반응하여 반사된 광은 통로부(300)를 통해 다시 바이오 센서(100)의 내부로 들어와 검출부(400)에 도달한다.
통로부(300)는 광의 통과를 위해 석영(Quartz), 파이렉스(Pyrex), 유리(Glass), 아크릴(Acryl), 광섬유, 글래스 샤프트(Glass Shaft) 등으로 구현될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
검출부(400)는 제어부의 제어신호에 따라 발광부(200)의 발광시간과 편차를 두고, 조효소로부터 반사된 광을 검출한다. 이 때, 검출부(400)가 반사된 광을 검출하는 것을 검출부(400)가 수광한다라고 말할 수 있으며, 발광부(200)의 발광시간과 편차를 두고 검출하는 것을 간단히 편차검출이라 칭할 수 있다. 한편, 조효소로부터 반사되는 광은 가시광선이며, 더 정확하게 말하면 460nm 파장대의 형광으로 반사된다.
반사되는 광과 검출부(400)의 편차검출에 대해서는 도 7 내지 도 8을 참조하여 설명하도록 한다. 도 7은 조효소로부터 반사되는 광을 설명하기 위한 도면이고, 도 8은 편차검출을 설명하기 위한 개념도이다. 도 8에 도시된 발광신호는 도 6을 통해 설명한 바와 동일한 것으로 한다.
미생물에 340nm 파장대의 광이 조사되면, 조사된 광은 조효소와 반응하게 된다. 구체적으로, 도 7에 도시된 바와 같이 조효소 가 에너지를 흡수하여 기저상태(ground state)에서 여기상태(exite state)로 변하고, 여기상태의 조효소가 다시 안정화된 기저상태로 되돌아가는 과정에서 광을 방출한다.
이 때, 방출되는 광은 460nm 파장대의 형광(flurescence)이 된다. 조효소로부터 반사되는 광 또는 조효소의 반사광은 이와 같이 조효소로부터 방출되는 형광을 의미하는 것이다.
한편, 기저상태로 되돌아가는 과정에서 인광(phosphorescence)이 방출되는 경우에는, 방출시간이 10-3 내지 10-5 초(sec)를 유지하게 된다. 이와 달리, 형광이 방출되는 경우에는, 방출시간이 10-8 내지 10-9 초(sec)를 유지하게 된다. 바꾸어 말하면, 형광은 10-8 내지 10-9 초(sec)로 소멸되므로, 형광 검출을 위해서는 10-9 초(sec) 이내에 검출이 완료되어야 한다. 따라서, 검출부(400)는 발광부(200)의 발광 중단시점과 소정의 시간차를 두고 조효소의 반사광을 검출하되, 소정의 시간차는 10-9 초(sec) 이하가 되는 것이다.
검출부(400)가 조효소의 반사광을 검출하는 방법은 도 8을 통해 더욱 구체적으로 살펴볼 수 있다. 전술한 바 있듯이, 시간 t12가 지나면, 광원부(200)가 오프(off)되고, 광 조사가 중단된다. 검출부(400)는 편차검출을 위해 광 조사가 중단되어 있는 시간 t12 내지 t21 동안 조효소의 반사광을 검출한다(즉, 수광신호를 입력받는다). 그러나 반사광의 검출은 t12를 기준으로 10-9 초(sec) 이내에 이루어진다.
이와 같은 방법으로, 검출부(400)는 광 조사의 중단이 지속되는 나머지 시간에 대해서도 조효소의 반사광을 검출할 수 있다. 즉, 검출부(400)는 시간 t22 내지 t31, t32 내지 t41 동안 조효소로부터 반사되는 광을 각각 검출하며, 이 때 각각의 검출은 광 조사가 중단되는 시점인 t12, t22, t32, t42를 기준으로 10-9 초(sec) 이내에 이루어지는 것이다.
한편, 검출이 이루어지는 시간(즉, 검출시간)은 각각 동일할 수도 있고, 서로 다를 수도 있다. 그리고 검출부(400)의 편차검출은 제어부(500)에 의해 제어될 수 있다. 다시 말하면, 제어부(500)는 각각의 검출이 시작되는 시점 및 검출시간 등을 각각 제어할 수 있다.
편차검출은 광원부(200)의 발광이 중단되는 동안 이루어지므로, 광원부(200)의 발광시간에 영향을 받지 않는다. 즉, 의 상태변화를 일으킬 수만 있다면, 광원부(200)의 1회 발광시간은 감소될 수 있다. 따라서, 편차검출에 의해 광원부(200)의 수명은 더욱 더 증대될 수 있는 것이다.
다시 도 5b를 참조하면, 신호처리부(350)는 검출부(400)에서 검출한 아날로그 형태의 형광을 디지털 형태의 전기적 신호로 변환시킨다. 또한, 신호처리부(450)는 전기적 신호를 증폭시키거나 검출감도를 조정할 수도 있다. 이와 같은 신호처리부(450)는 도 5b에 도시된 바와 달리 검출부(400) 내에 포함될 수도 있다.
제어부(500)는 센서모듈(110)의 전반적인 동작을 제어하며, 이를 위해 광 제어부(510) 및 시스템 제어부(520)를 포함할 수 있다.
광 제어부(510)는 광원부(200)의 간헐조사와 검출부(400)의 편차검출을 제어하는 구성이다. 먼저, 광 제어부(510)는 광원부(200)의 온/오프를 제어한다.
구체적으로, 광원부(200)의 발광 시점, 발광이 지속되는 시간(즉 발광시간), 발광이 중단되는 시점, 발광이 중단되어 있는 시간 및 발광 횟수 등을 제어할 수 있다. 특히, 광 제어부(510)는 발광시점으로부터 다음회의 발광시점까지 5초(sec) 이하가 되도록, 바람직하게는 3초 이하가 되도록 제어할 수 있으며, 각각의 발광시간이 5밀리초(msec) 이하가 되도록 제어할 수 있다. 광 제어부(510)는 340nm 파장대로 발광하도록 광원부(200)를 제어할 수도 있다.
또한, 광 제어부(510)는 검출부(400)의 검출이 시작되는 시점, 검출이 완료되는 시간 및 검출 횟수 등을 제어할 수 있다. 특히, 각각의 검출이 발광이 중단되는 시점을 기준으로 10-9 초(sec) 이내에 이루어지도록 제어할 수 있다. 그리고 광 제어부(510)는 460nm 파장대의 형광을 검출하도록 검출부(400)를 제어할 수도 있다.
시스템 제어부(520)는 통신부(130), 광 제어부(510), 광원부(200), 검출부(400) 및 신호 처리부(450)의 흐름을 제어한다. 전술한 바 있는 인터페이스 장치(40)의 입력부를 통해 사용자가 측정시작 명령을 입력하는 경우, 통신부(130)는 사용자 명령을 시스템 제어부(520)에 전달하게 된다. 사용자 명령을 전달받은 시스템 제어부(520)는 측정시작 명령을 광 제어부(510)에 출력하여, 광 제어부(510)가 광원부(200)의 간헐조사와 검출부(400)의 편차검출을 제어할 수 있도록 한다.
또한, 시스템 제어부(520)는 신호처리부(450)에서 처리된 신호를 전달받아 산술 연산, 논리 연산 등의 데이터 연산을 수행하고, 통신부(130)를 통해 반응단계 판단장치(20)에 전송될 수 있도록 제어한다.
통신부(130)는 인터페이스 장치(40) 또는 반응단계 판단장치(20)로부터 수신받은 명령이나 신호를 제어부(500)에 전송하고, 제어부(500)로부터 수신받은 신호를 반응단계 판단장치(20)로 전송한다. 이를 위해, 통신부(130)는 케이블(105)을 통해 반응단계 판단장치(20)와 유선으로 연결될 수도 있고, 무선 랜(Wireless LAN; WLAN), 와이파이(Wi-Fi), B-CDMA, RFID(Radio Frequency Identification), 지그비(ZigBee) 등과 같은 무선통신모듈을 포함하여 인터페이스 장치(40) 또는 반응단계 판단장치(20)와 무선으로 연결될 수도 있다.
전원부(120)는 외부의 전원 또는 내부의 전원을 인가받아 센서모듈(110)의 각 구성요소의 동작에 필요한 전원을 공급할 수 있다. 전원부(120)는 수은 전지, 망간 전지, 알카라인 전지, 리튬 전지 등 1차 전지로 구현될 수도 있고, 니켈-카드뮴(Ni-Cd) 전지, 니켈-수소(Ni-NH) 전지, 납 축전지(Lead Acid), 리튬 이온(Li-ion) 전지, 리튬 폴리머 전지 등과 같이 2차 전지로 구현될 수도 있다. 또한, 태양 열을 이용하여 발전을 수행하는 태양 전지로 구현될 수도 있는 것으로, 그 형태에 제한을 두지는 않는다. 전원부(120)가 외부 전원을 인가받는 경우에는, 케이블(105)을 통해 외부 전원과 유선으로 연결될 수 있다.
이상으로 센서모듈의 일 실시예를 설명하였으나, 도 5b에 도시된 바와 달리 다른 구성요소를 더 포함할 수도 있다.
도 9는 센서모듈의 다른 실시예에 따른 구성도이다. 도 9를 참조하면, 센서모듈(110)은 미생물 내 조효소와 반응하여 반사된 광을 검출하기 위해 광원부(200), 통로부(300), 검출부(400), 신호처리부(450), 제어부(500), 전원부(120), 통신부(130) 및 필터링부(350)를 포함할 수 있다. 여기서, 광원부(200), 통로부(300), 검출부(400), 신호처리부(450), 제어부(500), 전원부(120), 통신부(130)는 도 5b를 통해 설명한 바와 동일하므로, 그에 대한 구체적 설명은 이하 생략하는 것으로 한다.
필터링부(350)는 광원부(200) 및 검출부(400)와 통로부(300) 사이에 마련되어, 광원부(200)로부터 조사되는 광의 파장대와 조효소로부터 반사되는 반사광의 파장대가 중복되는 것을 차단한다. 이를 위하여, 필터링부(350)는 광원부(200)에서 조사되는 광의 파장대를 필터링하는 제 1필터 및 조효소에서 반사되는 반사광의 파장대를 필터링하는 제 2필터를 모두 포함할 수도 있고, 제 2필터만을 포함하여 반사광의 파장대만을 필터링할 수도 있다. 이하에서는 필터링부(350), 혹은 제 1필터, 제 2필터의 역할에 대해 살펴보기로 한다.
편차검출이 이루어지더라도 파장대가 중복되는 경우, 검출부(400)의 반사광 검출에 있어 광원부(200)에서 조사된 광의 영향을 받게 된다. 다시 말하면, 검출부(400)는 반사광뿐만 아니라 광원부(200)에서 조사된 광 또한 검출하게 되고, 이에 기초한 조효소의 농도 측정에 오차를 발생시킨다.
이를 방지하게 위하여, 제어부(500)는 340nm 파장대의 광이 조사되도록 광원부(200)를 제어하고, 460nm의 파장대의 반사광을 검출하도록 검출부(400)를 제어한다. 필터링부(350)는 상술한 제어부(500)의 역할을 보조하게 되는 것이다.
구체적으로, 제 1필터는 광원부(200) 전면에 배치되어 자외선만을 통과시키도록 필터링을 수행하고, 제 2필터는 검출부(400) 전면에 배치되어 가시광선만을 통과시키도록 필터링을 수행할 수 있다. 제 1필터 제 2필터의 성능에 따라, 제 1필터가 310 내지 370nm 파장만을 통과시키도록 필터링을 수행하고, 제 2필터는 430 내지 490nm 파장만을 통과시키도록 할 수도 있다.
이상으로 바이오 센서의 구성 요소 및 각 구성 요소의 역할을 실시예들을 바탕으로 설명하였으며, 이하에서는 주어진 흐름도를 참조하여 바이오 센서의 센싱방법을 살펴보기로 한다.
도 10은 바이오 센서의 센싱방법의 일 실시예에 따른 흐름도이다.
도 10을 참조하면, 먼저 바이오 센서는 케이블(105)을 통해 반응단계 판단장치(20) 또는 외부전원으로부터 전원을 공급받는다(700).
전원이 공급되면, 광원부(200)가 온(on)되어 광을 조사한다(710). 조사되는 광은 자외선이며, 더 정확하게는 미생물 내 조효소가 반응할 수 있는 340nm 파장대로 조사된다.
광원부(200)에서 조사된 광은 통로부(300)를 통과하여 바이오 센서(100) 외부로 방출된다. 그리고 광원부(200)가 발광시점을 기준으로 소정의 시간 t1이 경과하면, 광원부(200)가 오프(off) 되어 발광을 중단한다(720).
이 때, 소정의 시간 t1은 발광시간을 의미하며, 5밀리초(msec) 이하로 미리 설정되어 있는 것으로 한다. 통로부(300)를 통과한 광은 수중의 미생물 내 조효소와 반응하게 된다. 즉, 조효소가 460nm 파장대의 형광을 방출하며, 이를 반사광이라고 한다.
조효소로부터 반사된 형광은 다시 통로부(300)를 통과하여 다시 바이오 센서(100) 내부로 들어오게 된다(730).
그리고 검출부(200)가 460nm 파장대로 반사된 형광을 편차검출한다(740). 반사광의 검출은 광원부(200)가 오프(off)된 시점을 기준으로 10-9 초(sec) 이내에 이루어지는 것으로 한다.
바이오 센서(100)에 공급되던 전원의 차단여부에 따라 간헐조사 및 편차검출의 반복 여부가 결정된다(750).
전원이 차단되는 경우에는 바로 종료단계로 넘어간다. 검출된 신호는 디지털 형태의 전기적 신호로 변환되고, 데이터 연산이 수행되어 반응단계 판단장치(20)로 전송된다.
전원이 계속 공급되는 경우에는, 710단계로 다시 돌아간다. 더 정확하게 말하면, 광원부(200)가 오프(off)된 시점을 기준으로 소정의 시간 t2가 경과하면, 광원부(200)가 온(on)되어 다시 발광한다.
이 때, 소정의 시간 t2는 발광이 중단되어 있는 시간으로, 미리 설정되는 것으로 한다. 다만, 소정의 시간 t2가 740단계의 반사광 검출 시간을 포함하도록 설정되는 것으로 한다. 그리고 소정의 시간 t1 및 t2의 합은 즉, 발광시점으로부터 다음회의 발광시점까지의 시간은 5초(sec) 이하, 바람직하게는 3초 이하가 되도록 설정되는 것으로 한다.
한편, 710 내지 750 단계가 반복되는 동안, 소정의 시간 t1는 매회에서 동일한 시간을 갖을 수도 있고, 매회마다 다른 시간을 갖을 수도 있다. 소정의 시간 t2도 마찬가지로 매회에서 동일한 시간을 갖을 수도 있고, 매회마다 다른 시간을 갖을 수도 있다.
도 11은 바이오 센서의 센싱방법의 다른 실시예에 따른 흐름도이다.
도 11을 참조하면, 먼저 바이오 센서는 케이블(105)을 통해 반응단계 판단장치(20) 또는 외부전원으로부터 전원을 공급받는다(800).
전원이 공급되면, 광원부(200)가 온(on)되어 광을 조사한다(810). 이 때, 제어부(500)는 자외선 더 정확하게 말하면, 340nm 파장대의 광이 조사되도록 광원부(200)를 제어한다.
광원부(200)의 전면에 마련된 필터링부(350)가 광원부(200)에서 조사된 광의 파장대를 필터링한다(820). 필터링부(350)는 자외선만을 통과시키도록 필터링을 수행하며, 일 예로 310 내지 370nm 파장만을 통과시키도록 필터링을 수행할 수 있다. 즉, 필터링부(350)는 광원부(200)에 대한 제어부(500)의 광 제어를 보조한다.
광원부(200)의 발광시점을 기준으로 소정의 시간 t1이 경과하면, 광원부(200)가 오프(off) 되어 발광을 중단한다. 한편 광원부(200)에서 조사된 광은 통로부(300)를 통과하여 바이오 센서(100) 외부로 방출된다. 그리고 방출된 광은 조효소에 도달되어 조효소와 반응하게 된다(830).
이 때, 소정의 시간 t1은 발광시간을 의미하며, 5밀리초(msec) 이하로 미리 설정되어 있는 것으로 한다. 그리고 조효소와의 반응으로, 조효소가 460nm 파장대의 형광을 방출하며, 이를 반사광이라고 한다.
조효소로부터 반사된 형광은 다시 통로부(300)를 통과하여 다시 바이오 센서(100) 내부로 들어오게 된다. 그리고 내부로 들어온 반사광은 필터링부(350)에 도달된다(840).
검출부(400)의 전면에 마련된 필터링부(350)가 반사된 형광의 파장대를 필터링한다(850). 그리고 검출부(200)가 필터링된 형광을 검출한다(860).
필터링부(350)는 가시광선만을 통과시키도록 필터링을 수행하며, 일 예로 430 내지 460nm 파장만을 통과시키도록 필터링을 수행할 수 있다. 이에 따라, 검출부(400)는 가시광선의 형광만을 검출하게 된다. 즉, 필터링부(350)는 검출부(400)가 검출하고자 하는 파장대와 광원부(200)로부터 조사되는 광의 파장대가 중복되지 않도록 하는 것이다.
한편, 필터링된 형광의 검출은 광원부(200)가 오프(off)된 시점을 기준으로 10-9 초(sec) 이내에 이루어지는 것으로 한다.
바이오 센서(100)에 공급되던 전원의 차단여부에 따라 간헐조사 및 편차검출의 반복 여부가 결정된다(870).
전원이 차단되는 경우에는 바로 종료단계로 넘어간다. 검출된 신호는 디지털 형태의 전기적 신호로 변환되고, 데이터 연산이 수행되어 반응단계 판단장치(20)로 전송된다.
전원이 계속 공급되는 경우에는, 810단계로 다시 돌아간다. 더 정확하게 말하면, 광원부(200)가 오프(off)된 시점을 기준으로 소정의 시간 t2가 경과하면, 광원부(200)가 온(on)되어 다시 발광한다.
이 때, 소정의 시간 t2는 발광이 중단되어 있는 시간으로, 미리 설정되는 것으로 한다. 다만, 소정의 시간 t2가 840단계의 형광의 검출 시간을 포함하도록 설정되는 것으로 한다. 그리고 소정의 시간 t1 및 t2의 합은 즉, 발광시점으로부터 다음회의 발광시점까지의 시간은 5초(sec) 이하, 바람직하게는 3초 이하가 되도록 설정되는 것으로 한다.
한편, 810 내지 870 단계가 반복되는 동안, 소정의 시간 t1는 매회에서 동일한 시간을 갖을 수도 있고, 매회마다 다른 시간을 갖을 수도 있다. 소정의 시간 t2도 마찬가지로 매회에서 동일한 시간을 갖을 수도 있고, 매회마다 다른 시간을 갖을 수도 있다.
상술한 바와 같이, 바이오 센서는 간헐조사, 편차검출을 이용하므로 광원부의 수명을 증대시킬 수 있게 된다. 이상으로 예시된 도면을 참조로 하여, 바이오 센서 및 바이오 센서의 센싱방법의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시 될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100 : 바이오 센서 110 : 센서모듈
120 : 전원부 130 : 통신부
200 : 광원부 300 : 통로부
350 : 필터링부 400 : 검출부
450 : 신호처리부 500 : 제어부
510 : 광 제어부 520 : 시스템 제어부

Claims (16)

  1. 수중(水中)에 침수되어, 상기 수중의 미생물을 감지하는 바이오 센서에 있어서,
    광 조사 및 광 조사의 중단을 복수회 수행하는 광원부;
    상기 바이오 센서의 일단에 마련되어, 상기 광원부로부터 조사된 광을 상기 바이오 센서의 외부로 통과시키고, 상기 미생물로부터 반사된 형광을 상기 바이오 센서의 내부로 통과시키는 통로부; 및
    상기 광원부의 광 조사가 중단되는 동안, 상기 통과된 형광을 검출하는 검출부; 를 포함하는 센서모듈;
    상기 센서모듈의 외부에 마련되어, 상기 수중에서 상기 센서모듈을 보호하는 케이스(case);
    상기 케이스의 일단 및 타단에 장착되어, 상기 케이스의 내부에 물이 스며드는 것을 방지하는 캡(cap); 및
    상기 케이스의 일단 및 타탄의 캡 사이에 마련되어, 상기 캡이 수압에 의해 탈거되는 것을 방지하는 적어도 하나의 지지대;를 포함하고,
    상기 광원부는 광 조사 시점으로부터 3초(sec) 이내에 다음회의 광 조사를 수행하고, 각 회당 5밀리초(msec) 이내로 광 조사를 지속하고,
    상기 검출부는 각 회당 광 조사의 중단 시점으로부터 10-9 초(sec) 이내에 형광 검출을 완료하고,
    상기 통로부는 석영(Quartz)으로 형성되고,
    상기 케이스는 스테인레스(stainless) 재질로 형성되는 바이오 센서.
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  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 광원부가 조사하는 광의 파장대, 상기 광원부의 광 조사 시점, 광 조사의 지속 시간, 광 조사의 중단 시점, 광 조사 중단의 지속 시간 및 광 조사의 횟수 중 적어도 하나를 제어하는 제어부;
    를 더 포함하는 바이오 센서.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 검출부가 검출하는 형광의 파장대, 상기 검출부의 검출 시점, 검출의 완료 시간 및 검출 횟수 중 적어도 하나를 제어하는 바이오 센서.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 광원부 및 검출부와 상기 통로부 사이에 마련되어, 상기 광원부가 조사하는 광의 파장대와 상기 검출부가 검출하는 파장대가 중복되지 않도록 필터링을 수행하는 필터링부;
    를 더 포함하는 바이오 센서.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 필터링부는,
    상기 조사된 광에서 자외선만을 통과시키고, 상기 반사된 형광에서 가시광선만을 통과시키는 바이오 센서.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서모듈은,
    상기 케이스에 착탈 가능하도록 마련되는 바이오 센서.
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