KR101475906B1 - 마이크로플루이딕스 칩 기반의 잔류농약 검출용 전처리 키트 및 이를 이용한 잔류농약 검출 방법 - Google Patents
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Abstract
마이크로플루이딕스(micro-fluidics) 칩 기반의 잔류농약 검출용 전처리 키트 및 이를 이용한 잔류농약 검출 방법에 있어서, 마이크로플루이딕스 칩 내부에 경사로를 통해 연결되는 2단 유로로 형성되는 다수개의 미세 유로를 형성하고, 상기 미세 유로에 농약 성분의 추출과 정제를 위한 여과 물질을 충진한 전처리 키트를 이용하여, 유기 용매에 분산시킨 마쇄 시료를 상기 전처리 키트의 미세 유로를 통해 흘려보내 여과 물질을 통과시킴으로써, 시료에 포함되어 있는 잔류농약 성분을 효과적으로 추출, 정제할 수 있도록 구성되어, 시료에 포함된 잔류농약의 분석시 잔류농약 성분의 추출 및 정제를 위한 종래의 복잡한 다단계 전처리 과정을 간소화하는 동시에 숙련된 분석기술자 없이도 빠른 시간 내에 간편하게 농산물의 안전성 여부를 확인할 수 있는 마이크로플루이딕스 칩 기반의 잔류농약 검출용 전처리 키트 및 이를 이용한 잔류농약 검출 방법.
Description
본 발명은 마이크로플루이딕스(micro-fluidics) 칩 기반의 잔류농약 검출용 전처리 키트 및 이를 이용한 잔류농약 검출 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 마이크로플루이딕스 칩 내부에 경사로를 통해 연결되는 2단 유로로 형성되는 다수개의 미세 유로를 형성하고, 상기 미세 유로에 농약 성분의 추출과 정제를 위한 여과 물질을 충진한 전처리 키트를 이용하여, 유기 용매에 분산시킨 마쇄 시료를 상기 전처리 키트의 미세 유로를 통해 흘려보내 여과 물질을 통과시킴으로써, 시료에 포함되어 있는 잔류농약 성분을 효과적으로 추출, 정제할 수 있도록 구성되어, 시료에 포함된 잔류농약의 분석시 잔류농약 성분의 추출 및 정제를 위한 종래의 복잡한 다단계 전처리 과정을 간소화하는 동시에 숙련된 분석기술자 없이도 빠른 시간 내에 간편하게 농산물의 안전성 여부를 확인할 수 있는 마이크로플루이딕스 칩 기반의 잔류농약 검출용 전처리 키트 및 이를 이용한 잔류농약 검출 방법에 관한 것이다.
농약은 농약의 본래 이점에도 불구하고 농산물과 생태계에 잔류하여 환경오염과 사람의 건강을 위협하기 때문에 세계적으로 잔류농약에 대한 관심이 고조되어 있는 실정이다.
특히, 농산물에 존재하는 잔류농약은 국내외적인 큰 관심사항으로 각 국가마다 농산물 중 농약의 잔류량을 규제함으로써 농약의 안전사용기준 준수를 유도하여 농약 사용량을 억제함으로써 농산물의 안정성을 사전에 확보하고 있다.
기본적으로 잔류농약 검출을 위한 시료의 분석은 주로 가스크로마토그래피(gas chromatography, GC)나 고성능 액체크로마토그래피(high performance liquid chromatography, HPLC), 가스크로마토그래피-질량분석(gas chromatography/mass spectroscopy, GC/MS) 또는 액체크로마토그래피-질량분석(liquid chromatography/mass spectroscopy, LC/MS) 등으로 실시한다.
이와 같이, 가스크로마토그래피 또는 액체크로마토그래피를 이용하여 시료를 분석하는 경우, 시료에 포함되어 있는 모든 물질들의 성분이 분석된 방대한 양의 분석 자료가 생성됨으로 인하여 시료에 포함되어 있는 잔류농약 성분을 검출함에 있어 상당한 어려움이 따르게 된다.
이에 따라, 가스크로마토그래피 또는 액체크로마토그래피를 이용하여 시료에 포함되어 있는 잔류농약 성분을 분석하기 위해서는 잔류농약 검출에 방해가 되는 수분, 유지류 및 영양성분 등을 제거하고 분석대상 유효성분이 유기용매에 더 잘 녹아들어가도록 일정량의 시료를 마쇄하고 적당한 유기용매로 추출하고 정제하는 복잡한 전처리 공정이 필수적으로 수반되게 된다.
이러한 가스크로마토그래피 분석용 시료의 전처리 공정과 액체크로마토그래피 분석용 시료의 전처리 공정은 매우 유사한 공정을 가지고 있으며, 도 1에는 종래의 가스크로마토그래피 분석용 시료의 전처리 과정을 나타내었다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래에는, 잔류농약 분석을 위해 시료에 유기용매인 아세토니트릴(Acetonitrile, CH3CN)을 가하여 고속 마쇄(磨碎)한 후 여과하고, 상기 여액(filtrate, 濾液)에 염화나트륨(NaCl)을 첨가하여 격렬하게 진탕(shaking, 振蕩) 후 정치(定置)하여 아세토니트릴층과 수용액층을 분리시킨다.
이후, 상기 분리된 아세토니트릴층을 취하여 40℃ 이하의 수욕조 중에서 공기 또는 질소가스를 통과시키면서 용매가 소량 남을 때까지 농축 건조 시키고, 다시 아세톤(Acetone) 함유 핵산(n-hexane)을 넣어 재용해 시킨다.
다음으로, 후로리실 고정상(SPE-Florisil)이 충진되어 있는 일회용 카트리지를 사용하여, 카트리지에 미리 핵산을 초당 2~3방울 정도의 속도로 유출하여 버리고, 이 카트리지에 아세톤 함유 핵산을 위와 같은 방법으로 유출하여 버린다.
이어서, 상기 농축 건조되어 아세톤 함유 핵산에 용해된 아세토니트릴 용액을 카트리지 상단에 넣고 초당 1~2방울 정도의 속도로 용출(溶出)시켜 시험관에 받고 다시 카트리지가 용매에 젖은 상태에서 아세톤 함유 핵산을 용출하여 동일 시험관에 모으고 내부표준물질을 첨가한다.
이후, 상기 용출액을 40℃ 이하의 수욕조 중에서 질소 또는 공기를 낮은 유속으로 통과시키면서 농축 건조한 후 아세톤 함유 핵산에 녹여서 일정량의 시험용액을 제조하여 분석기기를 통해 분석한다.
이와 같이 농산물 중 잔류농약을 분석하기 위해서는 복잡한 추출과 농축, 정제 등의 전처리 과정이 요구되어 많은 시간이 소요될 뿐만 아니라, 숙련된 분석기술자가 필요하여 빠른 시간 내에 농산물의 안전성 여부를 확인하기가 불가능하였다.
또한, 농축을 위한 주변분석장비(수욕조, 질소가스발생장치 또는 질소가스봄배 등)가 추가로 소요되는 문제점이 있었다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해, 대한민국등록특허 제10-0491163호 에는 유기용매(아세토니트릴)로 농산물 중 잔류된 농약을 추출하고 추출용매에 증류수를 가하여 친수성으로 전환하여 여과지를 통과시켜 잔류농약을 추출함으로써, 우수한 정제효과를 발휘함은 물론 농축과정을 없애 이 과정에서의 분석물질 손실을 줄이고, 분석소요시간을 절약할 수 있는 식품내 잔류농약 추출방법이 개시되어 있다.
그러나, 이 또한, 잔류농약을 분석하기 위한 추출 및 정제 등의 복잡한 전처리 과정이 요구될 뿐만 아니라, 아세토니트릴층과 수용액층을 분리하기 위한 원심분리기와 원심분리기에 의해 분리된 아세토니트릴층을 감압여과 시키기 위한 진공발생장치가 추가로 소요되는 등의 문제점이 여전히 내포되어 있다.
한편, 마이크로플루이딕스(microfluidics) 칩은 미량의 분석 대상 물질을 흘려보내면서 칩에 집적되어 있는 각종 생물분자 혹은 센서와 반응하는 양상을 분석할 수 있는 칩으로써, 최근 생화학 및 바이오 분야 등에서 활발히 적용되고 있는 기술이다.
이러한 마이크로플루이딕스 칩은, 대한민국공개특허 제 10-2010-0018505에 나타난 바와 같이, 하나의 칩 위에 미세 유로를 형성하여 한 번의 시료 주입만으로 칩 내에서 반응, 세척, 검출에 이르기까지 바이오 실험 전 단계를 모두 수행되어지도록 구성되며, 유리, 실리콘 또는 플라스틱으로 된 수 ㎠ 크기의 칩 위에 분석에 필요한 여러 가지 장치들을 마이크로 머시닝(micro machining) 기술을 이용하여 면역학, 전자제어기술, 미세 가공 기술, 유체역학 등의 다양한 기술을 집약시킨 마이크로프로세서로 고속, 고효율, 저비용의 자동화된 분석이 가능하다.
이 기술은 최근 급속히 성장하는 제약산업 분야에서 신약탐색에 필요한 비용과 시간을 줄일 수 있는 중요한 기술로 부상하고 있으며, 생물학적, 화학적 또는 생화학적 평가를 수행하는 다양한 분야에 응용될 수 있는 핵심기반 기술이다.
그러나 이러한 마이크로플루이딕스 칩은, 현재, 생체 시료(예로써, 타액, 소변 또는 혈액 등)의 분석이나 효소, 미생물, DNA, RNA, 리셉터(receptor), 리간드, 항원 또는 항체 등의 생체물질을 배양하고, 상기 생체물질과 측정 분석물질과의 반응으로부터 발생되는 신호를 감지하여 농도를 측정하는 바이오 센서 및 의료 진단 센서 등과 같은 생물학적 공정을 수행하는 분야에서 그 활용도가 높게 나타나고 있을 뿐, 본 발명에서와 같이 시료로 부터 농약 등과 같은 특정 화학물질을 추출하는 등의 화학적 공정을 수행하는 분야에서의 활용은 아직 미미한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 마이크로플루이딕스(micro-fluidics) 칩 내부에 경사로를 통해 연결되는 2단 유로로 형성되는 다수개의 미세 유로를 형성하고, 상기 미세 유로에 농약 성분의 추출과 정제를 위한 여과 물질을 충진한 전처리 키트를 이용하여, 유기 용매에 분산시킨 마쇄 시료를 상기 전처리 키트의 미세 유로를 통해 흘려보내 여과 물질을 통과시킴으로써, 시료에 포함되어 있는 잔류농약 성분을 효과적으로 추출, 정제할 수 있도록 구성되어, 시료에 포함된 잔류농약의 분석시 잔류농약 성분의 추출 및 정제를 위한 종래의 복잡한 다단계 전처리 과정을 간소화하는 동시에 숙련된 분석기술자 없이도 빠른 시간 내에 간편하게 농산물의 안전성 여부를 확인할 수 있는 마이크로플루이딕스 칩 기반의 잔류농약 검출용 전처리 키트 및 이를 이용한 잔류농약 검출 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 마이크로플루이딕스(micro-fluidics) 칩 기반의 잔류농약 검출용 전처리 키트에 있어서, 상기 전처리 키트를 구성하는 마이크로플루이딕스 칩에는, 몸체 일측에 시료의 주입을 위한 다수개의 주입구가 형성되고, 몸체 타측에는 상기 다수개의 주입구를 통해 주입된 시료가 각각 배출되는 다수개의 배출구가 형성되며, 몸체 내부에는 상기 다수개의 주입구 및 배출구가 각각 상호 연통되도록 상기 다수개의 주입구 및 배출구를 각각 연결하는 다수개의 미세 유로가 형성되되, 상기 다수개의 주입구 및 배출구는 각각 서로 일정 높이의 단차(段差)를 갖도록 형성되고, 상기 다수개의 미세 유로는 상기 전처리 키트 내부에서 경사로를 통해 연결되는 2단 유로로 형성되어, 내부에 잔류농약 성분의 추출과 정제를 위한 여과 물질이 충진되는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은, 마이크로플루이딕스(micro-fluidics) 칩 내부에 경사로를 통해 연결되는 2단 유로로 형성되는 다수개의 미세 유로를 형성하고, 상기 미세 유로에 농약 성분의 추출과 정제를 위한 여과 물질을 충진한 전처리 키트를 이용하여, 유기 용매에 분산시킨 마쇄 시료를 상기 전처리 키트의 미세 유로를 통해 흘려보내 여과 물질을 통과시킴으로써, 시료에 포함되어 있는 잔류농약 성분을 효과적으로 추출, 정제할 수 있도록 구성되어, 시료에 포함된 잔류농약의 분석시 잔류농약 성분의 추출 및 정제를 위한 종래의 복잡한 다단계 전처리 과정을 간소화하는 동시에 숙련된 분석기술자 없이도 빠른 시간 내에 간편하게 농산물의 안전성 여부를 확인할 수 있을 뿐만 아니라, 시료의 전처리 시간을 단축시켜 전체적인 잔류농약의 검출 효율을 개선하는 효과가 있다.
또한, 여과 물질이 충진되어 있는 미세 유로에 잔류농약이 포함되어 있는 시료를 흘려주는 것 만으로도 시료에 포함되어 있는 잔류농약 성분을 효과적으로 추출, 정제할 수 있어 종래의 전처리 과정에 필요한 농축 장비를 추가로 구비할 필요가 없는 장점이 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 가스크로마토그래피 분석용 시료의 전처리 과정을 보여주는 도면
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로플루이딕스 칩 기반의 잔류농약 검출용 전처리 키트의 구조를 보여주는 도면
도 3은 동일 시료(단호박)에 대해 본 발명의 일실시예에 따른 잔류농약 검출용 전처리 키트를 이용하여 추출된 시료를 액체크로마토그래피-질량분석기를 통해 분석한 크로마토그램과 종래의 전처리 과정에 따라 추출된 시료를 액체크로마토그래피-질량분석기를 통해 분석한 크로마토그램을 비교하여 보여주는 도면
도 4는 동일 시료(단호박)에 대해 본 발명의 일실시예에 따른 잔류농약 검출용 전처리 키트를 이용하여 추출된 시료를 액체크로마토그래피-질량분석기를 통해 분석한 질량 분석 그래프와 종래의 전처리 과정에 따라 추출된 시료를 액체크로마토그래피-질량분석기를 통해 분석한 질량 분석 그래프를 비교하여 보여주는 도면
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 잔류농약 검출 방법을 나타낸 순서도
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로플루이딕스 칩 기반의 잔류농약 검출용 전처리 키트의 구조를 보여주는 도면
도 3은 동일 시료(단호박)에 대해 본 발명의 일실시예에 따른 잔류농약 검출용 전처리 키트를 이용하여 추출된 시료를 액체크로마토그래피-질량분석기를 통해 분석한 크로마토그램과 종래의 전처리 과정에 따라 추출된 시료를 액체크로마토그래피-질량분석기를 통해 분석한 크로마토그램을 비교하여 보여주는 도면
도 4는 동일 시료(단호박)에 대해 본 발명의 일실시예에 따른 잔류농약 검출용 전처리 키트를 이용하여 추출된 시료를 액체크로마토그래피-질량분석기를 통해 분석한 질량 분석 그래프와 종래의 전처리 과정에 따라 추출된 시료를 액체크로마토그래피-질량분석기를 통해 분석한 질량 분석 그래프를 비교하여 보여주는 도면
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 잔류농약 검출 방법을 나타낸 순서도
이하, 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명하지만, 본 발명은 그 요지를 이탈하지 않는 한 이하의 실시예에 한정되지 않는다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로플루이딕스 칩 기반의 잔류농약 검출용 전처리 키트의 구조를 보여주는 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 마이크로플루이딕스(micro-fluidics) 칩 기반의 잔류농약 검출용 전처리 키트는 일측에 시료의 주입을 위한 다수개의 주입구(110)가 형성되고, 타측에 주입구(110)를 통해 주입된 시료가 배출되는 다수개의 배출구(120)가 상기 주입구(110)와 단차(段差)를 가지도록 형성되며, 내부에는 주입구(110) 및 배출구(120)가 상호 연통되도록 상기 다수개의 주입구(110) 및 배출구(120)를 각각 연결하는 다수개의 미세 유로(130)가 형성된 마이크로플루이딕스 칩(100)으로 구성된다.
여기서, 상기 미세 유로(130)는 마이크로플루이딕스 칩(100)의 저면과 평행하며 서로 높낮이가 다른 제 1 미세 유로(131) 및 제 2 미세 유로(132)와 상기 높낮이가 다른 두 유로(131, 132)를 연결하는 경사로(133)로 구성되며, 제 2 미세 유로(132) 및 경사로(133) 내부에는 잔류농약 검출에 방해가 되는 성분(예로써, 수분, 유지류 및 작물의 영양성분 등)을 제거할 수 있도록 여과 물질이 충진된다.
즉, 마이크로플루이딕스 칩(100) 내부에는 경사로(133)를 통해 연결되는 2단 유로(131, 132)로 구성된 다수개의 미세 유로(130)가 형성되어, 마이크로플루이딕스 칩(100)의 일측 및 타측에 단차를 가지도록 형성된 주입구(110) 및 배출구(120)가 상호 연통되도록 상기 주입구(110) 및 배출구(120)에 연결되며, 미세 유로(130) 내부에는 잔류농약 검출에 방해가 되는 성분을 제거하기 위한 여과 물질이 충진되어 있어, 주입구(110)를 통해 주입된 시료가 미세 유로(130)를 따라 흐르는 동안 상기 여과 물질에 의해 잔류농약 검출에 방해가 되는 성분이 효과적으로 제거되도록 구성됨으로써, 시료에 포함된, 잔류농약 성분의 추출 및 정제를 위한 종래의 복잡한 다단계 전처리 과정이 필요 없어 숙련된 분석기술자 없이도 빠른 시간 내에 간편하게 농산물의 안전성 여부를 확인할 수 있을 뿐만 아니라, 농축을 위한 주변분석장비를 추가로 구비할 필요가 없는 장점이 있다.
이하, 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로플루이딕스 칩 기반의 잔류농약 검출용 전처리 키트의 구성을 보다 상세하게 설명하면, 도 2에 도시된 바와 같이, 전처리 키트를 구성하는 마이크로플루이딕스 칩(100)의 일측에는 분석 시료의 주입을 위한 다수개의 주입구(110)가 형성된다.
이러한 주입구(110)는 마이크로플루이딕스 칩(100) 내부에 형성되어 있는 미세 유로(130)와 연결되어 마이크로플루이딕스 칩(100)의 타측에 상기 주입구(110)와 단차를 가지도록 형성되는 다수개의 배출구(120)와 상호 연통되도록 구성된다.
이때, 상기 미세 유로(130)는 서로 높낮이가 다르게 형성된 두 유로(131, 132)가 경사로(133)를 통해 연결되도록 형성되어, 상기 단차를 가지도록 형성된 주입구(110) 및 배출구(120)에 연결된다.
즉, 주입구(110)는 마이크로플루이딕스 칩(100)의 저면과 평행하며 배출구(120) 방향으로 연장되어 형성된 제 1 미세 유로(131)와 연결되고, 배출구(120)는 마이크로플루이딕스 칩(100)의 저면과 평행하며 주입구(110) 방향으로 연장되어 형성된 제 2 미세 유로(132)와 연결된다.
이때, 제 1 및 제 2 미세 유로(131, 132)는 각각 주입구(110) 및 배출구(120)와 연결되어 마이크로플루이딕스 칩(100)의 저면과 평행하게 형성되기 때문에, 상기 주입구(110) 및 배출구(120)와 같이 단차를 가지게 되며, 이렇게 단차를 가지도록 형성된 제 1 및 제 2 미세 유로(131, 132)를 연결하기 위하여 마이크로플루이딕스 칩(100) 중앙부에는 경사로(133)를 형성하여 상기 제 1 및 제 2 미세 유로(131, 132)를 연결하도록 구성된다.
상술한 바와 같이 제 1 및 제 2 미세 유로(131, 132) 사이에 경사로(133)를 형성하여 연결함으로써, 미세 유로(130)를 통해 흐르는 시료에 삼투압 현상에 의한 흐름 외에도 중력에 의한 흐름을 유발 시킬수 있어, 미세 유로(130)를 통해 흐르는 시료의 흐름을 보다 더 원활하게 할 수 있을 뿐만 아니라, 미세 유로(130)의 전체 길이를 연장시킬 수 있어 미세 유로(130) 내부에 충진되는 여과 물질의 충진량을 증대시킬 수 있는 효과가 있다.
여기서, 상기 주입구(110) 또는 미세 유로(130) 내부에는 미세 유로(130)를 따라 흐르는 시료의 흐름을 제어하기 위하여 상기 미세 유로(130)를 따라 흐르는 시료를 가압하거나 제어할 수 있는 마이크로 펌프(미도시) 또는 마이크로 밸브(미도시) 등이 추가로 더 구비될 수도 있다.
한편, 도 2에는 3개의 주입구(110) 및 배출구(120)와 상기 주입구(110) 및 배출구(120)에 각각 연결되는 3개의 미세 유로(130)가 나타나 있는데, 이러한 다수개의 주입구(110), 배출구(120) 및 미세 유로(130)는 동일 시료에 대한 재현성 확보를 위하여 형성된 것으로서, 바람직하게는 2~5 개의 주입구(110) 및 배출구(120)와 이에 각각 연결되는 2~5 개의 미세 유로(130)를 형성하는 것이 좋으며, 미세 유로(130)의 구조 역시 미세 유로(130)에 주입되는 시료의 흐름을 유발함과 동시에 상기 시료의 흐름을 원활하게 할 수 있는 다양한 형태의 유로로 형성할 수 있으며, 필요에 따라 유로의 개수 및 구조를 달리 설정할 수 있음은 물론이다.
또한, 상기와 같은 구조의 마이크로플루이딕스 칩(100)은 제작의 편의성을 위해 상기 칩(100)을 상부와 하부로 분할 제작한 후 접합하여 사용할 수 있으며, 상기 마이크로플루이딕스 칩(100)의 재질은 금속, 플라스틱, 실리콘, 유리 등 액체와의 접촉으로 외형이나 물성이 변하지 않는 소재는 모두 사용 가능하다.
본 실시예에서는 테플론 블럭과 고밀도 폴리에틸렌(high density polyethylene, HDPE)을 사용하여 마이크로플루이딕스 칩(100)을 제작하였으며, 이렇게 제작된 전처리 키트로 추출한 시료의 분석을 시행하였다.
한편, 상술한 제 2 미세 유로(132) 및 경사로(133)에는 잔류농약 검출에 방해가 되는 성분을 제거하기 위한 여과 물질이 충진되는데, 이러한 여과 물질은 흡습제, 염(salt), 활성탄 및 아민 교환 물질(primary and secondary amine, PSA)로 구성된다.
이때, 흡습제는 시료에 포함된 수분을 제거하기 위한 것으로써, 무수 마그네슘 설페이트(Magnesium sulfate, MgSO4) 또는 무수 소듐 설페이트(Sodium sulfate, Na2SO4)를 사용할 수 있으며, 염(salt)은 시료 중의 농약과 같은 분석대상 유효성분이 유기용매에 더 잘 녹아들어가도록 하기 위한 것으로써, 소듐 아세테이트(sodium acetate, CH3CO2Na)를 사용할 수 있다.
또한, 활성탄 및 아민 교환 물질은 시료에 포함된 물질 중 분석에 방해가 될 수 있는 비극성 물질 및 극성 물질을 제거하기 위한 것으로써, 상기 활성탄에는 카보그래프(carbograph)가 사용될 수 있다.
이와 같은 여과 물질이 충진된 전처리 키트는 마이크로플루이딕스 칩(100) 내부에 형성된 미세 유로(130)에 유기 용매에 분산된 마쇄 시료를 흘려 주어 상기 시료가 여과 물질을 통과하게 함으로써, 상기 시료에 포함된 수분 및 분석에 방해가 되는 물질이 제거되도록 구성되어, 분석을 위한 시료의 전처리 시간을 단축시켜 전체적인 잔류농약의 검출 효율을 개선하는 효과가 있다.
이하에서는, 동일 시료에 대해 본 발명에 따른 마이크로플루이딕스 칩 기반의 잔류농약 검출용 전처리 키트를 사용하여 추출된 시료의 분석 결과와 종래의 전처리 과정을 통해 추출된 시료의 분석 결과를 도 3 및 도 4를 참조하여 비교 설명하고자 한다.
여기서, 추출에 사용된 시료는 분쇄한 단호박과 아세토니트릴(acetonitrile) 용액을 혼합하여 사용하였으며, 추출된 시료의 분석은 액체크로마토그래피-질량분석기(LC/MS)를 통해 분석하였다.
도 3은 동일 시료(단호박)에 대해 본 발명의 일실시예에 따른 잔류농약 검출용 전처리 키트를 이용하여 추출된 시료를 액체크로마토그래피-질량분석기를 통해 분석한 크로마토그램과 종래의 전처리 과정에 따라 추출된 시료를 액체크로마토그래피-질량분석기를 통해 분석한 크로마토그램을 비교하여 보여주는 도면이고, 도 4는 동일 시료(단호박)에 대해 본 발명의 일실시예에 따른 잔류농약 검출용 전처리 키트를 이용하여 추출된 시료를 액체크로마토그래피-질량분석기를 통해 분석한 질량 분석 그래프와 종래의 전처리 과정에 따라 추출된 시료를 액체크로마토그래피-질량분석기를 통해 분석한 질량 분석 그래프를 비교하여 보여주는 도면이다.
먼저, 본 실시예에서는 가로 20mm, 세로 15mm, 두께 0.25mm의 테플론 또는 고밀도 폴리에틸렌(high density polyethylene, HDPE)을 상부 기판과 하부 기판으로 나누어(도 2의 측면도의 실선 부분) 제작하여, 경사로(133)에는 무수 마그네슘 설페이트와 소듐 아세테이트를 1:2의 중량비로 충진하고, 제 2 미세 유로(132)에는 아민 교환 물질(PSA), 활성탄, 무수 마그네슘 설페이트를 2:2:1의 중량비로 충진한 후, 상부 기판과 하부 기판을 접합하여 최종적으로 가로 20mm, 세로 15mm, 두께 0.5mm의 마이크로플루이딕스 칩(100)을 제작하였으며, 미세 유로(130)의 직경은 0.1mm가 되도록 제작하였다.
도 3을 참조하면, 도 3의 (a)는 본 발명의 일실시예에 따른 전처리 키트를 통해 추출된 시료의 크로마토그램이며 도 3의 (b)는 종래의 전처리 과정을 거쳐 추출된 시료의 크로마토그램이다.
도 3의 (a)와 도 3의 (b)를 비교해 보면, 두 크로마토그램의 피크(peak)의 강도(intensity, 여기서는 크로마토그램의 세로축)에는 약간의 차이가 있는 경우도 있으나, 각각의 피크가 발생되는 시점의 머무름 시간(retention time, 즉, 각 성분이 컬럼을 통해 분리된 후 검출기에서 검출될 때까지 소요된 시간, 여기서는 크로마토그램의 가로축)이 거의 일치하고 있음을 확인할 수 있다.
여기서, 일반적으로 크로마토그램 상에서 각각의 피크가 발생되는 시점의 머무름 시간(retention time) 패턴이 동일하다면 동일 물질로 간주하게 되는데, 동일 물질이라 하더라도 머무름 시간이 완전히 일치하지는 않으며, 분석시의 환경이나 온도 등에 따라 약간씩의 차이가 발생되기 때문에, 도 3에 도시된 두 크로마토그램은 동일한 물질에 대한 분석 결과라고 간주할 수 있다.
즉, 도 3의 (a) 및 도 3의 (b)에 도시된 크로마토그램은 각각의 피크가 발생되는 시점의 머무름 시간이 일치한다고 볼 수 있기 때문에, 동일한 물질에 대한 분석 결과 임을 알 수 있으며, 이는, 본 발명의 전처리 키트를 통해 추출된 시료는 종래의 복잡한 전처리 과정을 거치지 않고도 종래의 복잡한 전처리 과정을 거쳐 추출된 시료와 동일한 분석 결과를 얻을 수 있음을 보여준다.
여기서, 상기 머무름 시간(retention time)의 단위는 분(minute)단위이다.
다음으로, 도 4를 참조하면, 도 4의 (a)는 본 발명의 일실시예에 따른 전처리 키트를 통해 추출된 시료의 크로마토그램(상술한 도 3의 (a)에서 5.15분에 발생한 피크를 확대한 크로마토그램, 도 4의 (a)의 상단 그래프) 및 질량 분석 그래프(도 4의 (a)의 하단 그래프)이며, 도 4의 (b)는 기존의 전처리 과정을 거쳐 추출된 시료의 크로마토그램(상술한 도 3의 (b)에서 5.15분에 발생한 피크를 확대한 크로마토그램, 도 4의 (b)의 상단 그래프) 및 질량 분석 그래프(도 4의 (b)의 하단 그래프)이다.
도 4의 (a) 및 도 4의 (b)의 하단에 도시된 질량 분석 그래프를 비교해 보면, 질량 분석 그래프 역시 상술한 크로마토그램과 같이 피크(peak)의 강도(intensity, 여기서는 질량 분석 그래프의 세로축)에서 약간의 차이는 있으나 질량 분석 그래프 상의 프래그먼트 이온(fragment ion) 생성 패턴이 동일함을 확인 할 수 있다.
즉, 질량 분석기를 통한 질량 분석은 시료 분자에 원자간의 결합을 끊을 수 있는 충분한 에너지를 가진 전자선(electron beam)을 충격시켜 시료 분자를 작은 이온(fragment ion)으로 조각내고, 이를 질량(m)과 전하(Z)의 비(m/z, 여기서는 질량 분석 그래프의 가로축)의 순으로 분리 기록하여 질량 스펙트럼(mass spectrum)을 얻으며, 이러한 질량 스펙트럼에 나타나는 프래그먼트 이온(fragment ion)의 생성 패턴(분열 양식 또는 개열 양식)으로 부터 분자 구조에 관련된 정보를 얻을 수 있다.
다시 말해, 질량 분석 그래프 상에 나타난 프래그먼트 이온의 생성 패턴이 동일할 경우 해당 물질은 동일한 분자 구조를 가진 동일 물질 이라고 간주할 수 있으며, 상술한 도 4의 (a) 및 도 4의 (b)에 도시된 질량 분석 그래프는 프래그먼트 이온의 생성 패턴이 일치하고 있어, 동일 시료에 대한 분석 결과값을 보여주고 있음을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 마이크로플루이딕스 칩 기반의 잔류농약 검출용 전처리 키트는 시료에 포함된 농약 성분을 분석하기 위해 종래의 복잡한 전처리 과정을 거치지 않고도 종래의 복잡한 다단계 전처리 과정을 통해 추출된 시료의 잔류농약 성분 분석 결과와 동일한 분석 결과를 얻을 수 있도록 함으로써, 숙련된 분석기술자 없이도 빠른 시간 내에 간편하게 농산물의 안전성 여부를 확인할 수 있을 뿐만 아니라, 농축을 위한 주변분석장비를 추가로 구비할 필요가 없는 장점이 있다.
한편, 본 실시예에서는 미세 유로(130)에 충진되는 여과 물질과 상기 충진되는 여과 물질의 중량비를 명시하고 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명에 따른 전처리 키트의 효과를 저감시키지 않는 범위내에서 상기 여과 물질 및 여과 물질의 중량비를 다양하게 변경하여 적용할 수 있음은 물론이다.
또한, 본 발명에 따른 전처리 키트의 규격 역시 본 실시예에 명시되어 있는 전처리 키트의 규격에 한정되는 것은 아니며, 주입되는 시료의 원활한 흐름을 유발하여 잔류농약 검출에 방해가 되는 성분을 효율적으로 제거할 수 있도록 다양한 규격으로 제작될 수 있음은 물론이다.
이하에서는, 상술한 도 2의 구성을 토대로 도 5를 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로플루이딕스 칩 기반의 잔류농약 검출용 전처리 키트를 이용한 잔류농약 검출 방법에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 잔류농약 검출 방법을 나타낸 순서도이다.
먼저, 도 5에 도시된 바와 같이, 분석 하고자 하는 시료를 분쇄하여 아세토니트릴(acetonitrile) 용액과 함께 혼합한 분석용 시료 용액을 제작한다.(S110)
다음으로, 상기 분석용 시료 용액을 전처리 키트를 구성하는 마이크로플루이딕스 칩의 일측에 형성된 주입구를 통해 주입한다.(S120)
여기서, 본 실시예에서는 분쇄한 단호박 0.5g과 1% 초산이 함유된 아세토니트릴 5ml를 1회용 주사기에 넣고 흔들어 섞은 후 마이크로플루이딕스 칩의 주입구에 주입하였다.
상기 주입구로 주입된 아세토니트릴 용액(즉, 상술한 분석용 시료 용액)은 마이크로플루이딕스 칩 내부에 형성되어, 주입구 및 배출구를 연결하는 미세 유로를 따라 모세관 현상에 의해 자연적으로 배출구 방향으로 흐르게 되는데, 이때, 미세 유로를 따라 흐르는 시료의 흐름을 좀 더 원활하게 하기 위하여, 상기 미세 유로는, 마이크로플루이딕스 칩의 저면과 평행하며 높낮이가 서로 다른 제 1 미세 유로 및 제 2 미세 유로와 상기 두 미세 유로를 연결하는 경사로로 구성되어, 미세 유로를 따라 흐르는 시료에 모세관 현상에 의한 흐름 외에 중력에 의한 흐름을 유발시킴으로써, 미세 유로를 따라 흐르는 시료의 흐름을 더욱 원활하게 할 수 있도록 구성된다.
이어서, 모세관 현상에 의해 미세 유로를 따라 흐르는 분석용 시료 용액이 경사로에 도달하게 되면, 상기 분석용 시료 용액이 경사로를 따라 흐르는 동안 경사로에 1:2의 중량비로 충진되어 있는 흡습제 및 염(salt)에 의해 수분은 제거되고, 농약 성분은 유기용매인 아세토니트릴에 녹아들어 가게 되며, 이후, 경사로를 통과한 분석용 시료 용액이 제 2 미세 유로를 흐르는 동안 제 2 미세 유로에 2:2:1의 중량비로 충진되어 있는 아민 교환 물질(primary and secondary amine, PSA), 활성탄 및 흡습제에 의해 분석에 방해가 되는 극성 및 비극성 물질이 제거되며, 경사로에서 제거되지 않은 잔류 수분이 추가로 제거된다.
여기서, 상기 흡습제는 시료에 포함된 수분을 제거하기 위한 것으로써, 무수 마그네슘 설페이트(Magnesium sulfate, MgSO4) 또는 무수 소듐 설페이트(Sodium sulfate, Na2SO4)를 사용할 수 있으며, 염(salt)은 시료 중의 농약과 같은 분석대상 유효성분이 유기용매에 더 잘 녹아들어가도록 하기 위한 것으로써, 소듐 아세테이트(sodium acetate, CH3CO2Na)를 사용할 수 있다.
또한, 활성탄 및 아민 교환 물질은 시료에 포함된 물질 중 분석에 방해가 될 수 있는 비극성 물질 및 극성 물질을 제거하기 위한 것으로써, 상기 활성탄에는 카보그래프(carbograph)가 사용될 수 있다.
이렇게 잔류농약 성분이 추출 및 정제된 분석용 시료 용액은 배출구를 통해 배출되어 회수되며(S130), 회수된 분석용 시료 용액을 액체크로마토그래피-질량분석기(LC/MS) 또는 가스크로마토그래피-질량분석기(GC/MS) 등과 같은 분석 기기를 통해 분석함으로써, 시료에 포함되어 있는 잔류농약 성분을 검출한다.(S140)
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은, 마이크로플루이딕스(micro-fluidics) 칩 내부에 경사로를 통해 연결되는 2단 유로로 형성되는 다수개의 미세 유로를 형성하고, 상기 미세 유로에 농약 성분의 추출과 정제를 위한 여과 물질을 충진한 전처리 키트를 이용하여, 유기 용매에 분산시킨 마쇄 시료를 상기 전처리 키트의 미세 유로를 통해 흘려보내 여과 물질을 통과시킴으로써, 시료에 포함되어 있는 잔류농약 성분을 효과적으로 추출, 정제할 수 있도록 구성되어, 시료에 포함된 잔류농약의 분석시 잔류농약 성분의 추출 및 정제를 위한 종래의 복잡한 다단계 전처리 과정을 간소화하는 동시에 숙련된 분석기술자 없이도 빠른 시간 내에 간편하게 농산물의 안전성 여부를 확인할 수 있을 뿐만 아니라, 시료의 전처리 시간을 단축시켜 전체적인 잔류농약의 검출 효율을 개선하는 효과가 있다.
또한, 여과 물질이 충진되어 있는 미세 유로에 잔류농약이 포함되어 있는 시료를 흘려주는 것 만으로도 시료에 포함되어 있는 잔류농약 성분을 효과적으로 추출, 정제할 수 있어 종래의 전처리 과정에 필요한 농축 장비를 추가로 구비할 필요가 없는 장점이 있다.
본 발명은, 본 발명에 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환 변형이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것은 아니다.
100 : 마이크로플루이딕스 칩 110 : 주입구
120 : 배출구 130 : 미세 유로
131 : 제 1 미세 유로 132 : 제 2 미세 유로
133 : 경사로
120 : 배출구 130 : 미세 유로
131 : 제 1 미세 유로 132 : 제 2 미세 유로
133 : 경사로
Claims (13)
- 마이크로플루이딕스(micro-fluidics) 칩 기반의 잔류농약 검출용 전처리 키트에 있어서,
상기 전처리 키트를 구성하는 마이크로플루이딕스 칩에는,
몸체 일측에 시료의 주입을 위한 다수개의 주입구가 형성되고,
몸체 타측에는 상기 다수개의 주입구를 통해 주입된 시료가 각각 배출되는 다수개의 배출구가 상기 주입구와 일정 높이의 단차(段差)를 갖도록 형성되며,
몸체 내부에는 상기 다수개의 주입구 및 배출구가 각각 상호 연통되도록 상기 다수개의 주입구 및 배출구를 각각 연결하는 다수개의 미세 유로가 형성되되,
상기 미세 유로는,
상기 마이크로플루이딕스 칩의 저면과 평행하게 형성되어 상기 주입구와 연결되는 제 1 미세 유로;
상기 마이크로플루이딕스 칩의 저면과 평행하게 형성되어 상기 배출구와 연결되는 제 2 미세 유로; 및
상기 제 1 미세 유로 및 제 2 미세 유로 사이에 연결되어 상기 제 1 미세 유로 및 제 2 미세 유로가 상호 연통되도록 경사지게 형성되는 경사로;
를 포함하여 구성되는 2단 유로로 형성되며,
상기 제 2 미세 유로에는,
아민 교환 물질(primary and secondary amine, PSA), 활성탄 및 흡습제가 충진되고,
상기 경사로에는,
흡습제 및 염(salt)이 충진되는 것을 특징으로 하는 마이크로플루이딕스 칩 기반의 잔류농약 검출용 전처리 키트.
- 삭제
- 삭제
- 제 1항에 있어서,
상기 흡습제는,
무수 마그네슘 설페이트(Magnesium sulfate, MgSO4) 또는 무수 소듐 설페이트(Sodium sulfate, Na2SO4)인 것을 특징으로 하는 마이크로플루이딕스 칩 기반의 잔류농약 검출용 전처리 키트.
- 제 1항에 있어서,
상기 염(salt)은,
소듐 아세테이트(sodium acetate, CH3CO2Na)인 것을 특징으로 하는 마이크로플루이딕스 칩 기반의 잔류농약 검출용 전처리 키트.
- 제 1항에 있어서,
상기 활성탄은,
카보그래프(carbograph)인 것을 특징으로 하는 마이크로플루이딕스 칩 기반의 잔류농약 검출용 전처리 키트.
- 제 1항에 있어서,
상기 제 2 미세 유로에 충진되는 아민 교환 물질(primary and secondary amine, PSA), 활성탄 및 흡습제는 2:2:1의 중량비로 충진되고,
상기 경사로에 충진되는 흡습제 및 염(salt)은 1:2의 중량비로 충진되는 것을 특징으로 하는 마이크로플루이딕스 칩 기반의 잔류농약 검출용 전처리 키트.
- 제 1항에 있어서,
상기 마이크로플루이딕스 칩은,
금속, 플라스틱, 실리콘, 유리 중 적어도 어느 한가지 이상의 재질로 구성되는 것을 특징으로 하는 마이크로플루이딕스 칩 기반의 잔류농약 검출용 전처리 키트.
- 제 1항에 있어서,
상기 마이크로플루이딕스 칩은,
상기 다수개의 주입구가 형성된 상부기판과, 상기 다수개의 배출구가 형성된 하부기판을 각각 제작하여 상·하로 접합하여 제작되는 것을 특징으로 하는 마이크로플루이딕스 칩 기반의 잔류농약 검출용 전처리 키트.
- 제 1항에 있어서,
상기 마이크로플루이딕스 칩에는,
상기 미세 유로를 따라 흐르는 시료의 흐름을 제어하기 위한 마이크로 펌프 및/또는 마이크로 밸브가 추가로 구비되는 것을 특징으로 하는 마이크로플루이딕스 칩 기반의 잔류농약 검출용 전처리 키트.
- 제 1항에 기재된 마이크로플루이딕스(micro-fluidics) 칩 기반의 잔류농약 검출용 전처리 키트를 이용하여 분석 대상 시료에 포함된 잔류농약 성분을 검출하는 방법에 있어서,
분석 대상 시료를 분쇄하여 유기 용매와 혼합한 분석용 시료 용액을 제작하는 단계;
상기 제작된 분석용 시료 용액을, 내부에 흡습제, 염(salt), 활성탄 및 아민 교환 물질(primary and secondary amine, PSA)을 포함하는 여과 물질이 충진된 상기 마이크로플루이딕스 칩의 일측에 형성된 주입구를 통해 주입하는 단계;
상기 마이크로플루이딕스 칩의 타측에 형성된 배출구를 통해 배출되는 분석용 시료 용액을 회수하는 단계;
상기 회수된 분석용 시료 용액을 분석하여 분석 대상 시료에 포함된 잔류농약 성분을 검출하는 단계;
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 마이크로플루이딕스 칩 기반의 잔류농약 검출용 전처리 키트를 이용한 잔류농약 검출 방법.
- 제 11항에 있어서,
상기 유기 용매는,
아세토니트릴(acetonitrile)인 것을 특징으로 하는 마이크로플루이딕스 칩 기반의 잔류농약 검출용 전처리 키트를 이용한 잔류농약 검출 방법.
- 삭제
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