KR101496083B1 - 형광검정선을 이용한 클로로필 및 조류 측정 장치 및 그 방법 - Google Patents

형광검정선을 이용한 클로로필 및 조류 측정 장치 및 그 방법 Download PDF

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이민경
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Abstract

본 명세서의 일부의 실시 예는 형광검정선을 이용한 클로로필 및 조류 측정 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 측정 수역에서 채취한 샘플의 제1 및 제2 형광강도를 클로로필 측정용 제1 형광센서 및 조류 측정용 제2 형광센서로 측정하고, 상기 측정 수역 내의 연속적인 제1 및 제2 형광강도를 상기 제1 및 제2 형광센서로 실시간 측정하는 형광 측정부; 상기 채취한 샘플을 멤브레인 필터로 여과하여 클로로필 a 및 조류를 추출하고 상기 추출된 클로로필 a 및 조류의 양을 산출하는 전처리부; 상기 측정된 제1 및 제2 형광강도와 상기 검출된 클로로필 a 및 조류의 양 간의 제1 및 제2 상관관계를 분석하고 상기 분석된 제1 및 제2 상관관계에 기초한 제1 및 제2 형광검정선을 생성하는 형광검정선 생성부; 및 상기 측정 수역 내의 연속적인 제1 및 제2 형광강도에 대응하는 클로로필 a 및 조류의 양을 상기 생성된 제1 및 제2 형광검정선에 기초하여 실시간 산출하는 제어부를 포함할 수 있다.

Description

형광검정선을 이용한 클로로필 및 조류 측정 장치 및 그 방법{APPARATUS AND METHOD FOR MEASURING CHLOROPHYLL AND ALGAE USING FLUORESCENCE IDEAL CURVE}
본 명세서는 형광검정선을 이용한 클로로필 및 조류 측정 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
최근 지구환경이 급격히 악화되고 있다. 수중으로 유입되는 유해물질의 양이 증가되고 있다. 이에 따른 안전한 수자원 확보에 대한 요구가 사회적으로 요구되고 있다. 이러한 연구를 위해 환경이 어떻게 악화되고 있고 그 정도가 얼마나 심각한 것인지와 시간에 따른 오염 정도의 변화추이나 오염상태의 심각성이 어느 정도인지를 실시간대로 측정해 내고 모니터링할 수 있는 체계적 시스템의 구축이 선행되어야 할 것이다. 이것은 궁극적인 환경 보존에 필수적 요소임을 부인할 수 없다. 즉, 환경보존을 위한 가장 기초적 연구는 환경 모니터링 시스템이다. 그 중에서도 수중으로 유입되는 유해물질의 양이 증가하고 있으며, 이에 따른 안전한 수자원 확보가 사회적으로 요구되고 있다.
최근의 수질관리 정책은 환경용량 이내에서 오염 총량을 관리하고, 통합적인 수질을 관리하는 방향으로 추진되고 있다. 미지의 수질 오염물질을 시험생물의 반응을 이용하여 검출할 수 있는 생물통합독성 감시시스템에 대한 요구 또한 높아지고 있다.
또한, 근래에 들어 물에 대한 소중함이 계속 인지되는 가운데 보호 및 오염에 대한 대처 및 방안들이 국가 사회적 관심으로 개발 및 도입되고 있는 추세이다. 하지만, 기존의 이화학 방식의 독성 감지는 검사시간이 길며, 연속적인 감시가 힘들다는 단점이 있다.
한편, 수중에 존재하는 조류 분포를 연속적으로 측정하는 것은 수중 조류에 의한 일차 산물의 비율과 그의 환경요인에의 의존도를 정성적으로 측정하기 위한 전제조건이다.
또한, 수중 조류의 모니터링은 수서생태 시스템의 비 이상적 또는 억압 상태(예를 들어 algal blooms, toxic substances, oxygen deficit 등)를 초기에 확인하는데 편리하게 이용될 수재 정립된 방법들은 종종 사람의 인력이란 면에서 너무 높은 비용이 소요된다.
결과적으로, 시료 채취와 얻어지는 최종 분석결과 사이에서 소요되는 시간적 차이로 인한 문제점을 해결할 필요가 있다. 사람의 인력을 최소화할 수 있는 수중 조류의 모니터링 시스템이 필요한 실정이다.
여기서, 조류는 다음과 같이 정의된다. 조류(Algae)는 대부분 단순한 다세포, 단세포로 이루어진 군락이나 혹은 복합 세포 수생 식물을 나타낸다. 조류는 수생 조류로서 구성될 수 있다. 조류는 줄기, 잎 및 뿌리가 없는 개체로서 광합성 작용에 의하여 성장하는 클로로필을 포함하고 있는 미세한 수생 식물이다. 이러한 것들은 이산화탄소, 질소, 암모니아, 인과 같은 미세 영양분을 수중에서 또는 침적물에서 영양분을 흡수하고 산소를 수중으로 배출시킨다. 호수 바닥에 발생하는 오염의 주된 원인은 유기 물질들이다. 수중에서 자유롭게 떠다니는 형상들은 식물성 플랑크톤으로 불린다. 이렇게 떠다니는 식물성 플랑크톤은 주로 바위와 수생물의 줄기, 양식에 붙어산다. 이때, 바닥에 잔류하는 침전물은 부착생물(Periphyton)이라고 불린다. 식물성 플랑크톤(Phytoplankton)은 아주 미세한 부유 식물성 프랑크톤으로서 주로 조류로서 수역에서 떠다니며 산다. 이들은 아주 힘이 약하고, 작기 때문에 조류의 흐름을 거슬러서 유영을 하기에는 약하거나 효과적으로 이동할 수 없기 때문에 표류하거나 떠다닌다.
한편, 코클로디니움 폴리크리코이데스(Cochlodinium polykrikoides)가 해양에서 발생하고 있다. 코클로디니움 폴리크리코이데스는 해양에서 유해 적조를 일으키는 와편모조류에 속하는 코클로디니움의 적조 원인 생물이다. 대한민국 연안에서 적조를 일으키는 60여 종의 생물 중에서 설사, 마비, 신경성 폐독성을 가지는 적조는 몇 개의 개체에 불과하다. 이러한 독성을 가진 적조는 대부분 다량의 점액을 분비하여 물고기의 아가미를 막아 아가미 세포에서의 산소의 호흡 기능을 저하시켜 물고기가 질식상태로 유도되어 폐사에 이르게 한다. 발생원인으로서는 산업화 과정에서 발생한 과잉 유기물의 유입으로 인하여, 식물성 플랑크톤의 대량발생에 의한 적조현상의 빈도가 두드러지게 증가하고 있다.
클로로필(Chlorophyll)은 광합성 작용에 의하여 식물의 녹색 색소(엽록소)로 발광되는 빛의 에너지를 가지고 화학적 에너지로 바꾸는 식물체에서의 녹색 색소이다. 즉, 클로로필은 수중의 식물 플랑크톤이 광합성을 하는데 필요한 색소이다. 육수학과 해양학에서는 식물 플랑크톤이 갖고 있는 엽록소의 양을 수중에 존재하는 생물량(biomass)의 지표로 널리 사용해 왔다. 클로로필 농도는 수질의 상태를 파악하거나 식물 플랑크톤의 생산력을 파악하는데 주로 사용되고 있다. 특히 해양에서는 인공위성에서 촬영한 해색(ocean color)을 이용하여 클로로필 농도를 추정함으로써 어황 예보나 지구기후 변화 연구에 이용해 왔다.
특히, 클로로필 a는 원핵생물인 남조류(Cyanobacteria) 및 진핵생물인 조류(Algae)를 비롯한 모든 종류의 식물성 플랑크톤에 존재하는 광합성 색소이다. 따라서 신뢰할 수 있다. 그리고 일반적으로 총 식물성 플랑크톤 생물체에 대체 값으로 사용된다. 대부분의 클로로필의 측정에 필요한 정량기술은 메탄올, 에탄올 혹은 아세톤과 같은 유기질 용매에서 셀들을 분리시키는 방법을 기초로 한다. 이어서, 크로마토그래피(Chromatography) 또는 분광광도계에 의해서 정량화가 결정된다.
이러한 클로로필 및 조류의 측정 방법들은 통상적으로 사용하여 왔다. 하지만, 측정 및 분석에 필요한 많은 시간, 표준방법에 의해 시료의 샘플링, 실험실로 시료의 이송 및 숙련자에 의한 분석과정을 요구하고 있다. 또한, 이러한 방법들은 샘플의 취수과정부터 클로로필 a의 최종 정량분석까지는 많은 환경적인 변수에 영향을 많이 받는다. 또한, 이러한 방법들에서 많은 양의 샘플이 필요하기 때문에 많은 종류의 샘플링이 수행되지 못하는 한계가 있다. 또한, 이러한 방법들에서 보관 중에 샘플이 변화되어 시료의 정량 값이 변할 수 있다.
문헌 1: 대한민국특허청 등록특허공보 등록번호 제10-0917030호 문헌 2: 대한민국특허청 공개특허공보 공개번호 제10-2009-0092916호 문헌 3: 대한민국특허청 등록특허공보 공개번호 제10-2011-0109140호
본 명세서의 일부의 실시 예는 선박을 이용하게 하는 강, 호수, 연안에서의 환경감시와 해양의 상태를 조사하기 위하여 산업계 및 과학분야에 의하여 요구되고 있는 클로로필 및 조류의 자동측정 및 수질의 주요 측정계수들의 측정뿐 아니라, 그 분석결과에 대한 평가관리를 수행할 수 있는, 형광검정선을 이용한 클로로필 및 조류 측정 장치 및 그 방법을 제공할 수 있다.
한편, 본 명세서의 일부의 실시 예는 연안, 강에서의 열악한 기상 조건하에서도 수질을 감시하고 클로로필 a 및 녹조 또는 적조 오염의 발생을 조기에 감지하고 대응함으로써, 조사팀원 및 연구인에게 신속한 분석결과를 제공할 수 있는, 형광검정선을 이용한 클로로필 및 조류 측정 장치 및 그 방법을 제공할 수 있다.
한편, 본 명세서의 일부의 실시 예는 파도로 인해 요동치는 선박 내에서도 다양한 기기의 선택과 운용을 손쉽게 할 수 있도록 모듈화시킬 수 있게 하고 추후의 센서의 확장성을 통해 감시의 효율성을 상승시킬 수 있는, 형광검정선을 이용한 클로로필 및 조류 측정 장치 및 그 방법을 제공할 수 있다.
더 나아가, 본 명세서의 일부의 실시 예는 강가 혹은 댐에 설치되는 장소뿐 아니라 무인화를 위한 시스템이 요구되거나 원거리에서의 무인화 시스템에서 요구되는 장소에서 보조 배터리, 윈드 터빈(Wind turbine) 또는 태양에너지를 이용하는 솔라 패널(Solar panel)에서 발전되는 최소한의 전기 용량으로 클로로필 a 및 녹조 또는 적조의 측정을 가능하게 할 수 있는, 형광검정선을 이용한 클로로필 및 조류 측정 장치 및 그 방법을 제공할 수 있다.
본 명세서의 일 실시 예에 따르는 장치는 측정 수역에서 채취한 샘플의 제1 및 제2 형광강도를 클로로필 측정용 제1 형광센서 및 조류 측정용 제2 형광센서로 측정하고, 상기 측정 수역 내의 연속적인 제1 및 제2 형광강도를 상기 제1 및 제2 형광센서로 실시간 측정하는 형광 측정부; 상기 채취한 샘플을 멤브레인 필터로 여과하여 클로로필 a 및 조류를 추출하고 상기 추출된 클로로필 a 및 조류의 양을 산출하는 전처리부; 상기 측정된 제1 및 제2 형광강도와 상기 산출된 클로로필 a 및 조류의 양 간의 제1 및 제2 상관관계를 분석하고 상기 분석된 제1 및 제2 상관관계에 기초한 제1 및 제2 형광검정선을 생성하는 형광검정선 생성부; 및 상기 측정 수역 내의 연속적인 제1 및 제2 형광강도에 대응하는 클로로필 a 및 조류의 양을 상기 생성된 제1 및 제2 형광검정선에 기초하여 실시간 산출하는 제어부를 포함할 수 있다.
상기 클로로필 측정용 제1 형광센서는 클로로필 a 센서이고, 상기 조류 측정용 제2 형광센서는 밋물용 블루-그린(Blue-Green) 조류 녹조 센서, 유기물 센서(CDOM·Chromophoric Dissolved Organic Matter) 및 해수용 코클로디니움 폴리크리코이데스(Cochlodinium polykrikoides) 적조 센서 중 어느 하나일 수 있다.
상기 형광 측정부는 상기 조류 측정용 제2 형광센서가 녹조류 또는 적조류 측정용 형광센서인 경우, 녹조류에 대한 제2 형광강도 또는 적조류에 대한 제2 형광강도를 측정할 수 있다.
상기 형광 측정부는 410, 525, 570, 590 및 610nm의 5개의 상이한 파장 대의 빛을 여기 시키는 발광 다이오드와 685nm 파장 대의 빛을 측정하는 발광 다이오드로 이루어진 제1 및 제2 형광센서를 구비할 수 있다.
상기 전처리부는 형광광도계, 스펙트로메트리(Spectrometry) 및 HPLC 중 어느 하나를 이용하여 상기 채취한 샘플로부터 클로로필 a 및 조류를 추출할 수 있다.
상기 장치는 측정 수역 내의 현재 위치를 실시간으로 측정하는 위치 측정부; 및 클로로필 a 및 조류 측정과 관련된 데이터를 무선 통신을 통해 송수신하는 무선 통신부를 더 포함하고, 상기 제어부는 기상 측정 시스템으로부터 상기 무선 통신부를 통해 수신된 형광강도 측정 시점의 위치 및 기상 분석 결과를 클로로필 a 및 조류 측정 결과에 통합하여 클로로필 a 및 조류 측정 데이터의 유효성을 판별할 수 있다.
상기 장치는 탁도, 온도, 대기 중에 빛의 량, 수중에서 깊이에 따른 클로로필 a의 양 및 수중에서의 깊이별 유속, 미생물 군, 잔류 유기물, 주변의 색소, 약화 되는 조류(Pheophytin) 중 적어도 하나를 측정하여 환경 측정 정보를 생성하는 환경 측정부를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 생성된 환경 측정 정보를 이용하여 클로로필 a 및 조류 측정 데이터의 유효성을 판별할 수 있다.
상기 제어부는 상기 생성된 환경 측정 정보 중에서 측정 수역 내의 유속 측정 결과와 부유물질 측정 결과가 기설정된 임계치 이상인 기간에서 클로로필 a 및 조류 측정을 비활성화시킬 수 있다.
본 명세서의 일 실시 예에 따르는 방법은 측정 수역에서 채취한 샘플의 제1 및 제2 형광강도를 클로로필 측정용 제1 형광센서 및 조류 측정용 제2 형광센서로 측정하는 단계; 상기 채취한 샘플을 멤브레인 필터로 여과하여 클로로필 a 및 조류를 추출하고 상기 추출된 클로로필 a 및 조류의 양을 산출하는 단계; 상기 측정된 제1 및 제2 형광강도와 상기 산출된 클로로필 a 및 조류의 양 간의 제1 및 제2 상관관계를 분석하고 상기 분석된 제1 및 제2 상관관계에 기초한 제1 및 제2 형광검정선을 생성하는 단계; 상기 측정 수역 내의 연속적인 제1 및 제2 형광강도를 상기 제1 및 제2 형광센서로 실시간 측정하는 단계; 및 상기 측정 수역 내의 연속적인 제1 및 제2 형광강도에 대응하는 클로로필 a 및 조류의 양을 상기 생성된 제1 및 제2 형광검정선에 기초하여 각각 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 방법은 측정 수역 내의 현재 위치를 실시간으로 측정하는 단계; 클로로필 a 및 조류 측정과 관련된 데이터를 무선 통신을 통해 송수신하는 단계; 및 기상 측정 시스템으로부터 상기 무선 통신부를 통해 수신된 형광강도 측정 시점의 위치 및 기상 분석 결과를 클로로필 a 및 조류 측정 결과에 통합하여 클로로필 a 및 조류 측정 데이터의 유효성을 판별하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 방법은 탁도, 온도, 대기 중에 빛의 량, 수중에서 깊이에 따른 클로로필 a의 양 및 수중에서의 깊이별 유속, 미생물 군, 잔류 유기물, 주변의 색소, 약화 되는 조류(Pheophytin) 중 적어도 하나를 측정하여 환경 측정 정보를 생성하는 단계; 및 상기 생성된 환경 측정 정보를 이용하여 클로로필 a 및 조류 측정 데이터의 유효성을 판별하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 방법은 상기 생성된 환경 측정 정보 중에서 측정 수역 내의 유속 측정 결과와 부유물질 측정 결과가 기설정된 임계치 이상인 기간에서 클로로필 a 및 조류 측정을 비활성화시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 클로로필 a 및 조류의 양을 산출하는 단계는, 형광광도계, 스펙트로메트리(Spectrometry) 및 HPLC 중 어느 하나를 이용하여 상기 채취한 샘플로부터 클로로필 a 및 조류를 추출할 수 있다.
본 명세서의 일부의 실시 예에 따르면 선박을 이용하게 하는 강, 호수, 연안에서의 환경감시와 해양의 상태를 조사하기 위하여 산업계 및 과학분야에 의하여 요구되고 있는 클로로필 및 조류의 자동측정 및 수질의 주요 측정계수들의 측정뿐 아니라, 그 분석결과에 대한 평가관리를 수행할 수 있다.
한편, 본 명세서의 일부의 실시 예는 연안, 강에서의 열악한 기상 조건하에서도 수질을 감시하고 클로로필 a 및 녹조 또는 적조 오염의 발생을 조기에 감지하고 대응함으로써, 조사팀원 및 연구인에게 신속한 분석결과를 제공할 수 있다.
한편, 본 명세서의 일부의 실시 예는 파도로 인해 요동치는 선박 내에서도 다양한 기기의 선택과 운용을 손쉽게 할 수 있도록 모듈화시킬 수 있게 하고 추후의 센서의 확장성을 통해 감시의 효율성을 상승시킬 수 있다.
더 나아가, 본 명세서의 일부의 실시 예는 강가 혹은 댐에 설치되는 장소뿐 아니라 무인화를 위한 시스템이 요구되거나 원거리에서의 무인화 시스템에서 요구되는 장소에서 보조 배터리, 윈드 터빈 또는 태양에너지를 이용하는 솔라 패널에서 발전되는 최소한의 전기 용량으로 클로로필 a 및 녹조 또는 적조의 측정을 가능하게 할 수 있다.
도 1은 본 명세서의 일 실시 예에 따르는 형광검정선을 이용한 클로로필 및 조류 측정 시스템의 구성도이다.
도 2 내지 도 4는 본 명세서의 일 실시 예에 따르는 클로로필 및 조류 측정 장치의 출력 화면에 대한 설명도이다.
도 5 및 도 6은 본 명세서의 일 실시 예에 따른 클로로필 a 및 조류의 측정 과정에 이용되는 제1 및 제2 형광검정선에 대한 설명도이다.
도 7은 본 명세서의 일 실시 예에 따른 클로로필 및 조류 측정 장치의 교정 과정에 대한 설명도이다.
도 8은 본 명세서의 일 실시 예에 따른 형광 측정부에 연결된 형광센서와 교정용 고체 플라스틱에 대한 설명도이다.
도 9는 본 명세서의 일 실시 예에 따른 클로로필 및 조류 측정 장치의 녹조 및 남조류의 측정 결과에 대한 설명도이다.
도 10 및 도 11은 본 명세서의 일 실시 예에 따른 부식토 농도 및 클로렐라와 형광강도 간의 상관관계에 대한 설명도이다.
도 12 및 도 13은 본 명세서의 일 실시 예에 따른 클로로필 및 조류 측정 장치의 환경 측정 결과에 따른 데이터 유효성 평가 과정에 대한 설명도이다.
도 14는 본 명세서의 일 실시 예에 따르는 형광검정선을 이용한 클로로필 및 조류 측정 방법에 대한 흐름도이다.
이하, 본 명세서의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
실시 예를 설명함에 있어서 본 명세서가 속하는 기술 분야에 익히 알려져 있고 본 명세서와 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 명세서의 요지를 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.
마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다. 또한, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다. 각 도면에서 동일한 또는 대응하는 구성요소에는 동일한 참조 번호를 부여하였다.
도 1은 본 명세서의 일 실시 예에 따르는 형광검정선을 이용한 클로로필 및 조류 측정 시스템의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 명세서의 일 실시 예에 따른 형광검정선을 이용한 클로로필 및 조류 측정 시스템(10)은 클로로필 및 조류 측정 장치(100), 조류 관리 서버(11) 및 기상 측정 시스템(12)을 포함한다.
이하, 도 1의 클로로필 및 조류 측정 시스템(10)의 각 구성요소들의 구체적인 구성 및 동작을 설명한다.
클로로필 및 조류 측정 장치(100)는 측정 수역에서 채취한 샘플의 제1 및 제2 형광강도를 측정하고 그 샘플로부터 추출된 클로로필(Chlorophyll) a 및 조류의 양을 산출하고, 제1 및 제2 형광강도와 클로로필 a 및 조류의 양 간의 제1 및 제2 상관관계를 기초로 하여 연속적인 제1 및 제2 형광강도에 대응되는 클로로필 a 및 조류의 양을 실시간 산출한다.
예를 들어, 클로로필 및 조류 측정 장치(100)는 강, 호수 및 저수지에서 클로로필 a 및 남조류(Cyanobacteria)의 녹조 상태를 실시간으로 연속 측정할 수 있다. 또한, 클로로필 및 조류 측정 장치(100)는 연안 및 해양에서 클로로필 a 및 코클로디늄에 의한 적조 상태를 실시간으로 연속 측정할 수 있다.
구체적으로, 클로로필 및 조류 측정 장치(100)는 측정 수역에서 추출된 샘플에 대한 클로로필 a의 정량 분석 값과 그 샘플의 형광강도와의 상관관계를 기초로 하여 실시간으로 측정된 형광강도에 대응하는 녹조 또는 적조를 연속적으로 분석할 수 있다. 이를 위해, 클로로필 및 조류 측정 장치(100)에 클로로필 측정용 제1 형광센서(111)와 녹조 또는 적조 측정용 제2 형광센서(112)가 장착될 수 있다.
클로로필 및 조류 측정 장치(100)가 구현된 일례를 살펴보면 다음과 같다. 클로로필 및 조류 측정 장치(100)의 외장함 재질은 산업용 스테인리스 재질이고, 화면은 터치 스크린 LCD(예컨대, 8.4인치) 또는 외부 디스플레이일 수 있다. 시스템은 장착형 산업용 PC 또는 확장형 PC/104 버스로 이루어지고, 설치된 소프트웨어는 멀티태스킹을 지원할 수 있다. 메모리는 내부 전용으로 시스템의 내용 저장에 필요한 플래시 메모리와 외부 전용으로 사용자에 필요한 별도 백업 데이터 저장을 위한 플래시 메모리로 구성될 수 있다. 제1 및 제2 형광센서(111 및 112)와 연결된 기본적인 2개의 인터페이스는 RS-232 또는 RS-485 인터페이스이거나, 산업용 데이터 통신 규약에 준한 RS-485 버스 인터페이스일 수 있다.
한편, 조류 관리 서버(11)는 클로로필 및 조류 측정 장치(100)와 통신망을 통해 무선 통신하고, 클로로필 및 조류 측정 장치(100)에서 측정된 클로로필 a 및 조류 측정 데이터를 수신받는다. 조류 관리 서버(11)는 수신받은 클로로필 a 및 조류 측정 데이터를 클로로필 및 조류 모니터링 스크린에 출력하거나, 서버와 연결된 관리자 단말(도면 미도시)에 클로로필 a 및 조류 측정 데이터를 전달할 수 있다.
기상 측정 시스템(12)은 클로로필 및 조류 측정 장치(100)가 설치된 측정 수역이 포함된 기상 측정 지역에서의 기상 측정 데이터를 실시간으로 취합하여 기상 측정 지역의 기상변화를 분석한다. 그리고 기상 측정 시스템(12)은 기상 분석 결과 중에서 기설정된 기상 분석 항목에 해당하는 기상 분석 결과를 통신망을 통해 클로로필 및 조류 측정 장치(100)로 주기적 또는 기상 분석 요청 신호에 따라 전송한다.
한편, 도 1에 도시된 바와 같이, 클로로필 및 조류 측정 장치(100)는 형광 측정부(110), 전처리부(120), 검정선 생성부(130), 제어부(140), 사용자 인터페이스부(150), 위치 측정부(160), 무선 통신부(170), 환경 측정부(180) 및 데이터 관리부(190)를 포함한다. 도 1의 클로로필 및 조류 측정 장치(100)의 각 구성요소들의 구체적인 구성 및 동작을 설명한다.
형광 측정부(110)는 측정 수역에서 채취한 샘플의 제1 및 제2 형광강도를 클로로필 측정용 제1 형광센서(111) 및 조류 측정용 제2 형광센서(112)로 측정한다.
형광검정선 생성 과정 이후, 형광 측정부(110)는 클로로필 a 및 조류의 실시간 측정을 위해 측정 수역 내의 연속적인 제1 및 제2 형광강도를 제1 및 제2 형광센서(111 및 112)로 실시간 측정한다. 여기서, 제1 및 제2 형광센서(111 및 112)를 이용하는 것은 총 클로로필 a를 측정할 수 있고, 제1 및 제2 형광강도의 연속 측정을 이용하여 클로로필 a의 정확한 측정을 가능하게 하는 제1 및 제2 상관관계를 분석하기 위함이다.
일례로, 형광 측정부(110)는 제1 및 제2 형광센서(111 및 112)를 통해 5개의 상이한 파장 대의 빛을 샘플에 여기시켜 한 개의 파장 대의 빛으로 방출시키는 제1 및 제2 형광강도를 각각 측정할 수 있다. 예를 들면, 제1 및 제2 형광센서(111 및 112)는 410, 525, 570, 590 및 610nm의 5개 파장을 여기 파장으로 여기시키는 여기 파장 LED 다이오드와 685nm 파장 대의 빛으로 방출되는 제1 및 제2 형광강도를 검출하는 다이오드일 수 있다.
여기서, 클로로필 측정용 제1 형광센서(111)는 클로로필 a 센서일 수 있다. 조류 측정용 제2 형광센서(112)는 밋물용 블루-그린(Blue-Green) 조류를 측정하는 녹조 센서, 유기물 센서(CDOM: Chromophoric Dissolved Organic Matter) 및 해수용 코클로디니움 폴리크리코이데스를 측정하는 적조 센서 중 어느 하나일 수 있다.
또한, 형광 측정부(110)는 조류 측정용 제2 형광센서(112)가 녹조류 또는 적조류 측정용 형광센서인 경우, 녹조류에 대한 제2 형광강도 또는 적조류에 대한 제2 형광강도를 측정할 수 있다.
적조의 실시간 초기 검출 및 센서의 교정에 대한 일례로, 형광 측정부(110)는 적조류 중에서 가장 높은 형광을 발하는 홍조류 식물에 통상적으로 포함되는 단백질과 공유하는 피코빌리프로테인(Phycobiliprotein) 색소를 이용하여 코클로디늄을 측정할 수 있다. 예를 들어, 형광 측정부(110)는 555 여기 필터 및 676 방출 필터를 최대 검출 파장대로 가질 수 있다. 형광 측정부(110)는 0.01ppb 및 0-1000ppb의 검출 제한치(Detection limit)를 가지고, 150 셀/ml 및 0-150,000 셀/ml의 모델 트릴로지(Model trilogy)를 가질 수 있다. 형광 측정부(110)는 530nm 및 535nm 파장 대의 여기 협대역 통과 필터와 590nm 내지 715nm 파장 대의 방출 협대역 통과 필터를 구비할 수 있다.
형광 측정부(110)는 복수의 상이한 파장 대의 빛을 여기 시키는 발광 다이오드와 한 개의 파장 대의 빛을 측정하는 발광 다이오드로 이루어진 제1 및 제2 형광센서(111 및 112)를 포함할 수 있다. 형광 측정부(110)는 각각의 상이한 제1 및 제2 형광센서(111 및 112)로부터 출력되는 데이터(클로로필 a의 추출 값 및 남조류 또는 적조류의 추출 값)를 측정한다.
제1 및 제2 형광센서(111 및 112)를 구체적으로 살펴보면, 제1 형광센서(111)는 동적 이득을 X1=0-500㎍/L 클로로필, X10=0-50 ㎍/L 클로로필, X100=0-5 ㎍/L 클로로필과 같이 제어할 수 있다. 제1 형광센서(111)는 샘플의 선형성 및 담금 영역(Linearity and Quenching regions)의 선형성이 0.94 내지 0.99R2이고, 샘플의 물 온도(Water temp)가 -2 내지 50℃에서 동작하고, 빛 소스가 LED인 여기 파장 다이오드로 이루어질 수 있다.
제2 형광센서(112)는 녹조 또는 적조 측정용일 수 있다. 일례로, 제2 형광센서(112)는 음용수 취수용 녹조 측정용인 경우, 150 cells/ml의 최초 검출한계를 가진다. 또한, 제2 형광센서(112)는 50,000 cells/ml 이상(R2 = 0.9992)의 선형성(Linearity)을 가지고, 0.5% 내지 3%의 정도의 정확도를 가질 수 있다. 한편, 제2 형광센서(112)는 해수용 적조 측정용인 경우, 원행생물계(Kingdom Protoctista), 황적조식물문(Phylum Dinoflagellata), 코클로디늄 등을 검출할 수 있다.
한편, 클로로필 a의 측정 단위는 다음과 같다. 자연에서 발생되는 클로로필 a의 농도 단위는 1리터에서의 마이크로 그램의 무게 측정 단위로 표시한다. 형광 측정부(110)는 상대 형광 강도 측정 단위(RFU: Relative Fluorescence Unit)로 나타낼 수 있다.
전처리부(120)는 채취한 샘플을 멤브레인 필터로 여과하여 클로로필 a 및 조류를 추출하고 그 추출된 클로로필 a 및 조류의 양을 산출한다. 전처리부(120)는 형광광도계, 스펙트로메트리(Spectrometry) 및 액체크로마토그래프(HPLC: High Performance Liquid Chromatography) 중 어느 하나를 이용하여 채취한 샘플로부터 클로로필 a 및 조류를 추출할 수 있다. 예를 들어, 전처리부(120)는 ISO 표준방법에서와 같이, 에타놀에서 클로로필 a만을 추출하여 정량화할 수 있는 검출 방법인 660nm 및 750nm의 파장 대의 분광광도 측정 기술을 이용한 클로로필 a를 불연속으로 측정하고 정량화할 수 있다. 클로로필 a의 정량 분석을 위한 추출 방법을 살펴보면, 전처리부(120)는 블랜킹(blanking) 과정과 클로로필 a의 표준 솔루션(Standard solution)을 이용하여 실제 클로로필 a를 분석한다. 이때, 현장에서 얻어진 샘플(총 클로로필 포함)이 준비되면, 전처리부(120)는 이 샘플을 멤브레인 필터(Membrane filter)에서의 여과 과정을 통하여 클로로필 a 만을 추출한다. 그리고 전처리부(120)는 90% 솔벤트(Solvent)에 녹아있는 클로로필 a의 표준 샘플과 블랭크에 쓰일 물 샘플을 이용하여 클로로필 a의 값으로 정량화시킬 수 있다.
클로로필 a의 추출 과정의 일례를 살펴보면, 전처리부(120)는 샘플에 산성화 기술을 적용하여 클로로필 a와 페오피틴(Pheophytin) a의 농도를 하기의 [수학식 1]과 같이 분석할 수 있다. 전처리부(120)는 약한 염화 수소를 가지고 클로로필 a를 추출한다. 여기서, 샘플당 2개의 형광 값을 가질 수 있다. 이때, 고농도를 나타내는 민물에서 간섭이 발생할 수 있는 클로로필 b를 제외할 수 있는 비산성화 기술이 적용될 수 있다.
Figure 112014007856465-pat00001
Figure 112014007856465-pat00002
여기서, Fm은 순수한 클로로필 a 표준의 최대 산성화 비율(max acid ratio Fb/Fa of pure Chlorophyll a standard), Fb는 산성화 전의 형광강도, Fa는 산성화 이후의 형광강도, FO는 샘플의 형광강도, v는 추출된 용량(L) 및 V는 필터링된 용량(L)을 나타낸다.
검정선 생성부(130)는 형광 측정부(110)에서 측정된 제1 및 제2 형광강도와 검출된 클로로필 a 및 조류의 양 간의 제1 및 제2 상관관계를 분석한다. 그리고 검정선 생성부(130)는 분석된 제1 및 제2 상관관계에 기초한 제1 및 제2 형광검정선을 생성한다. 이러한 제1 및 제2 형광검정선은 반-정량법의 문제점과 물리적 환경의 변화와 관련된 온도의 변화, 유기물로 인하여 발생하는 탁도로부터의 간섭효과를 보완하기 위해 이용될 수 있다. 또한, 제1 및 제2 형광검정선은 온도의 변화로 인하여 발생하는 값의 차이, 센서 자체에 탁도 기능의 보완뿐 아니라, 총 클로로필의 형광 값 대비 실질적인 클로로필 a값과의 상관 관계를 나타낼 수 있다.
이러한 제1 및 제2 형광검정선은 다양한 수준의 클로로필 a가 포함된 샘플 및 녹조류 또는 적조류 샘플에서 클로로필 a 및 녹조 또는 적조를 구별하는 목적에 이용될 수 있다. 하지만, 다량의 식물성 플랑크톤 생물체가 존재하는 곳에서 클로로필 a의 양이 실제보다 낮은 값으로 나타날 수 있다.
따라서 검정선 생성부(130)는 제1 및 제2 형광검정선을 생성하되, 상관관계가 비례 관계인 직진성이 유지될 수 있는 직진성 구간에만 제1 및 제2 형광검정선을 적용할 수 있다. 이러한 직진성 구간에 한하여 제1 및 제2 형광검정선이 적용될 수 있다. 예를 들어, 클로로필 a의 농도가 100㎍/L 이내의 경우에는 형광검정선이 비례 관계가 유지될 수 있다. 또한, 300㎍/L 또는 400㎍/L 이후의 범위에서는 제1 및 제2 형광검정선의 직진성이 유지되지 않을 수 있다. 즉, 방출되는 빛이 다량의 플랑크톤 또는 다량의 부유분진에 의해 산란처리되거나, 재흡수될 수 있다. 수중의 존재하는 다양한 화학물질로부터의 영향을 받게 되는 형광 값으로 인하여 형광 측정부(110)에 의해 측정된 클로로필 a 값들의 직선성에 영향을 주게 된다.
제어부(140)는 측정 수역 내의 연속적인 제1 및 제2 형광강도에 대응하는 클로로필 a 및 조류의 양을 생성된 제1 및 제2 형광검정선에 기초하여 실시간 산출한다.
사용자 인터페이스부(150)는 사용자와의 입출력 인터페이스 기능을 수행한다. 사용자 인터페이스부(150)는 제어부(140)에서 산출된 클로로필 a 및 조류의 양을 화면에 출력할 수 있다.
한편, 위치 측정부(160)는 GPS 위성과 통신하고, 측정 수역 내의 현재 위치를 실시간으로 측정한다.
무선 통신부(170)는 자동으로 온라인 및 실시간으로 클로로필 및 조류 측정 장치(100)에서 생성된 데이터를 통신망을 통해 송수신할 수 있다. 예를 들어, 무선 통신부(170)는 RS-232, RS-485, CDMA, 무선랜(WLAN), 이더넷(Ethernet), 블루투스(Bluetooth), 이리듐(IRIDIUM), 라디오(radio)가 포함된 통신망을 통해 조류 관리 서버(11)나 기상 측정 시스템(12)으로 데이터를 송수신할 수 있다. 즉, 무선 통신부(170)는 클로로필 a 및 조류 측정과 관련된 데이터를 무선 통신을 통해 송수신할 수 있다.
데이터 관리부(190)는 컴팩트 플래시 메모리 카드(CompactFlash memory card)를 장착하여 클로로필 및 조류 측정 장치(100)에서 생성된 데이터를 연속적으로 저장할 수 있다. 또한, 데이터 관리부(190)는 여분의 백업 데이터베이스를 구비하여 작동이 중단되는 경우에 함께 작동할 수 있다.
제어부(140)는 기상 측정 시스템(12)으로부터 무선 통신부(170)를 통해 수신된 기상 분석 결과를 클로로필 a 및 조류 측정 결과에 통합하여 클로로필 a 및 조류 측정 결과 값의 확실성 및 불확실성 평가에 이용하여 데이터의 유효성을 판별할 수 있다.
또한, 제어부(140)는 환경 측정부(180)에서 측정된 탁도, 온도, 대기 중에 빛의 량, 수중에서 깊이에 따른 클로로필 a의 양 및 수중에서의 깊이별 유속, 미생물 군, 잔류 유기물, 주변의 색소, 약화 되는 조류(Pheophytin) 중 적어도 하나를 이용하여 클로로필 a 및 조류의 양에 대한 유효성을 평가할 수 있다. 여기서, 탁도는 수중에서 녹아 있는 색깔을 가진 물질과 부유 물질들에 의해서 빛이 어떤 각도로 산란되는지에 따라서 혼탁도의 수준을 나타낸다. 이러한 측정 원리를 이용물에 퇴적된 진흙, 조각, 미세하게 나누어진 유기체, 무기체, 물에 녹아 있는 유기물, 수초, 미세 유기 물체로 인하여 발생하는 물의 혼탁성과 물의 탁도가 추정될 수 있다.
또한, 제어부(140)는 측정 수역 내의 유속 측정 결과와 부유물질 측정 결과가 기설정된 임계치 이상인 기간에서 클로로필 a 및 조류 측정을 비활성화시킬 수 있다.
한편, 클로로필 a 및 조류의 형광 발산 효과는 매일 바뀌는 빛의 강도와 노출에 따라 달라질 수 있다. 온도가 올라가면 형광을 덜 발사하게 된다. 데이터 관리부(190)에는 전처리부 또는 형광 측정부별 온도 변화에 따른 측정치 변화량을 미리 설정될 수 있다. 데이터 관리부(190)는 전처리부(120)에서 클로로필 a의 농도를 측정할 경우에 섭씨 1도의 변화가 발생하는 경우에는 0.3%의 편차가 발생하는 것으로 미리 설정할 수 있다. 또한, 데이터 관리부(190)는 형광 측정부(110)에서 총 클로로필의 형광강도가 섭씨 1도의 변화로 인하여 1.4%의 편차가 발생하는 것으로 미리 설정할 수 있다.
이후, 제어부(140)는 데이터 관리부(190)에 저장된 측정치 변화량과 환경 측정부(180)에서 측정된 환경 측정 결과에 따라 전처리부(120) 또는 형광 측정부(110)에서 측정된 클로로필 a 및 조류의 양을 보정할 수 있다. 유사한 방식으로, 제어부(140)는 고농도의 탁도, 잔류 유기 물질, 주변의 색소들 때문에 형광강도 값이 증가하는 측정치 변화량에 따라 클로로필 a 및 조류의 양을 보정할 수 있다.
이때, 제어부(140)는 환경 측정부(180)에서 측정된 환경 측정 결과의 유효성을 확인하고, 그 기간 동안 저장한 자료에 대한 유효성 평가 데이터를 데이터 저장부(190)에 함께 저장시킬 수 있다.
환경 측정부(180)는 측정 수역 주변의 환경 측정 정보를 생성하기 위하여 다양한 센서를 구비한다. 예를 들어, 환경 측정부(180)는 밋물용 또는 해수용 온도 센서, 압력 센서, 습도 센서, 수압 센서, 산성도 센서, 유속 센서, 산소 센서, 탁도 센서, 기압 센서 등을 구비할 수 있다. 그리고 환경 측정부(180)는 이러한 다양한 센서를 이용하여 탁도, 온도, 대기 중에 빛의 량, 수중에서 깊이에 따른 클로로필의 양 및 수중에서의 깊이별 유속, 미생물 군, 잔류 유기물, 주변의 색소, 약화 되는 조류(Pheophytin) 중 적어도 하나를 측정하여 환경 측정 정보를 생성할 수 있다.
도 2 내지 도 4는 본 명세서의 일 실시 예에 따르는 클로로필 및 조류 측정 장치의 출력 화면에 대한 설명도이다.
클로로필 및 조류 측정 장치(100)의 사용자 인터페이스부(150)는 터치 스크린을 구비할 수 있다. 사용자는 터치 스크린의 화면상에서 팬 또는 손가락으로 입력할 수 있다. 사용자 인터페이스부(150)는 텍스트 모도는 그래픽 모드로 사용자에게 측정 결과를 출력할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 사용자 인터페이스부(150)는 좌측에 일반적인 장치 정보를 표시하고, 아래에 스크린 버튼 및 기능 버튼을 표시할 수 있다. 좌측의 일반적인 장치 정보는 타임, 로그파일, 메모리, 런타임, 데이터베이스, GPS 컨트롤, 시스템 상태, PLC 컨트롤, 데이터 파일 등이 포함될 수 있다. 또한, 아래의 스크린 버튼에는 30분의 샘플링 평균시간 설정 버튼, 10분의 샘플링 평균 시간 설정 버튼, 텍스트 모드 설정 버튼이 포함될 수 있다. 기능 버튼에는 제1 형광센서 교정 버튼, 제2 형광센서 교정 버튼, 그래픽 종료 및 텍스트 입력 버튼 및 그래픽 설정 버튼이 포함될 수 있다.
스크린 버튼에 대한 여러 실시 예가 도 2 내지 3에 나타나 있다.
도 2에는 제1 및 제2 형광센서(111 및 112)를 통해 30분의 샘플링 평균 시간에 따라 측정된 클로로필 a 및 조류 측정 결과가 나타나 있다.
도 3에는 제1 및 제2 형광센서(111 및 112)를 통해 10분의 샘플링 평균 시간에 따라 측정된 클로로필 a 및 조류 측정 결과가 나타나 있다.
도 4에는 제1 및 제2 형광센서(111 및 112)를 통해 측정된 클로로필 a 및 조류 측정 결과가 텍스트 모드 설정에 따라 나타나 있다.
도 5 및 도 6은 본 명세서의 일 실시 예에 따른 클로로필 a 및 조류의 측정 과정에 이용되는 제1 및 제2 형광검정선에 대한 설명도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 검정선 생성부(130)는 전처리부(120)에서 추출된 클로로필 a의 값과 형광 측정부(110)에서 측정된 상대 형광 강도 간의 상관관계에 따른 형광검정선(510)을 생성한다.
예를 들어, 검정선 생성부(130)는 4번의 샘플링 횟수 즉, 샘플 1 내지 4(501 내지 504)로부터 제1 형광강도와 각각 추출된 클로로필 a의 양 간의 상관관계를 분석한다. 그리고 검정선 생성부(130)는 비례 관계인 직진성이 유지되는 구간에서 이상적인 검정선(Ideal Curve)을 산출하여 형광검정선(510)을 생성할 수 있다.
한편, 검정선 생성부(130)는 여러 측정 장소에 따라 복수의 형광검정선(510)을 생성할 수 있다. 이는 여러 측정 장소마다 클로로필 a의 종류별로 가변될 수 있기 때문이다. 예를 들어, 검정선 생성부(130)는 A 장소, B 장소, C 장소, D 장소, E 장소 및 F 장소마다 상이한 형광검정선(510)을 생성할 수 있다. 이러한 측정 장소는 근해 해수, 강, 항만이 인접한 수역, 과밀도의 유기물에 노출된 장소, 연못, 목초지가 인접한 장소 등이 될 수 있다. 여기서, 형광 측정부(110)에서 측정된 형광 강도와 전처리부(120)에서 산출된 실질적인 클로로필 a의 측정 농도 값과의 상관관계에 따른 형광검정선(510)은 현재 수중에 어떤 종류의 해조류가 있는지에 따라 달라질 수 있다. 또한, 이러한 형광검정선(510)은 조류 세포의 생리학적 상태와 방해 유기체 및 물리적인 기후 변화에 따른 온도의 변화에 영향을 받을 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 검정선 생성부(130)는 형광 측정부(110)에서 측정된 제2 형광강도와 검출된 조류의 양 간의 제2 상관관계를 분석하고, 그 분석된 제2 상관관계에 기초한 제2 형광검정선을 생성한다. 일례로, 검정선 생성부(130)는 간장독인 노듈라리아 스푸미제나(Nodularia spumigena) 종류를 포함한 파이코시아닌(phycocyanin)의 희석을 통해 조류 물질의 농도와 형광강도 간의 상관 관계를 분석할 수 있다.
도 7은 본 명세서의 일 실시 예에 따른 클로로필 및 조류 측정 장치의 교정 과정에 대한 설명도이다.
클로로필 및 조류 측정 장치(100)는 상이한 수질을 가진 측정 장소에서 샘플링을 수행할 수 있다.
그리고 클로로필 및 조류 측정 장치(100)는 샘플에서 클로로필 a만을 추출한다.
이어서, 클로로필 및 조류 측정 장치(100)는 현장에서 취수되어 추출된 클로로필 a의 값과 동일한 위치에서 형광강도를 측정한다.
이후, 클로로필 및 조류 측정 장치(100)는 추출된 클로로필 a와 산출된 클로로필 a 간의 상관관계를 분석하고 표준 형광검정선을 생성하여 정량화시킬 수 있다.
도 8은 본 명세서의 일 실시 예에 따른 형광 측정부에 연결된 형광센서와 교정용 고체 플라스틱에 대한 설명도이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 형광 측정부(110)에 연결된 형광센서(801)는 교정용 고체 플라스틱(802)을 통해 교정될 수 있다. 교정용 고체 플라스틱(802)은 사용이 용이하다. 형광 측정부(110)에 연결된 형광센서(801)는 교정용 고체 플라스틱(802)의 레퍼런스 값을 이용하여 교정될 수 있다.
형광 측정부(110)는 클로로필 a 및 조류의 연속 측정 과정에서 표준 용액의 사용 없이 교정용 고체 플라스틱(802)을 통해 안정도를 신속하고 용이하게 확인할 수 있다.
도 9는 본 명세서의 일 실시 예에 따른 클로로필 및 조류 측정 장치의 녹조 및 남조류의 측정 결과에 대한 설명도이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 클로로필 및 조류 측정 장치(100)는 저농도의 단일 종의 녹조 및 서로 상이한 3가지의 남조류의 측정할 수 있다. 일례에서 클로로필 및 조류 측정 장치(100)는 남조류의 간독소인 실리드로스퍼모시스(Cylindrospermopsis), 남조류인 미크로시스티스(microcystis) 및 남조류인 아나베나(Anabaena)를 실시간으로 측정할 수 있다. 또한, 클로로필 및 조류 측정 장치(100)는 저농도의 단일 종의 녹조인 클로렐라(Chlorella)를 실시간으로 측정할 수 있다.
도 10 및 도 11은 본 명세서의 일 실시 예에 따른 부식토 농도 및 클로렐라와 형광강도 간의 상관관계에 대한 설명도이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 호수의 자연수와 부식토 식물 사이에서 빛의 통과에 방해 요소가 있는지를 알아보기 위해 이들의 상관관계가 그래프로 나타나 있다. 부식토 농도와 형광강도 간의 상관관계는 부식토의 농도가 높아져도 형광강도의 변화량은 발견되지 않았다. 따라서 클로로필 및 조류 측정 장치(100)의 제어부(140)는 형광강도의 보정 과정에서 부식토 농도를 제외할 수 있다.
도 11에 도시된 바와 같이, 녹조류 중에서 피코빌린(Phycobilin) 색소를 포함하지 않는 녹조류인 클로렐라와 형광강도 간의 상관관계가 그래프로 나타나 있다. 클로렐라 농도와 형광강도 간의 상관관계는 클로렐라의 농도가 높아져도 형광강도의 변화량은 발견되지 않았다. 따라서 클로로필 및 조류 측정 장치(100)의 제어부(140)는 형광강도의 보정 과정에서 클로렐라 농도를 제외할 수 있다.
도 12 및 도 13은 본 명세서의 일 실시 예에 따른 클로로필 및 조류 측정 장치의 환경 측정 결과에 따른 데이터 유효성 평가 과정에 대한 설명도이다.
도 12에 도시된 바와 같이, 환경 측정부(180)는 기설정된 시간(예컨대, 10분, 30분 등)을 기준으로 탁도(1201) 및 유속(1202)을 측정할 수 있다. 측정된 탁도(1201)는 조류 유속 상태가 변화하는 상태에서 0% 내지 90%까지의 극심한 탁도 값들을 보여준다. 이때, 유속(1202)은 0cm/s 내지 200cm/s까지의 변화량을 보인다.
이와 같이, 제어부(140)는 환경 측정부(180)에서 측정된 탁도 및 유속(1201 및 1202)을 기설정된 임계치와 비교하여 제어부(140)에서 산출된 클로로필 a 및 조류의 값에 대한 데이터 유효성을 평가할 수 있다.
도 13에 도시된 바와 같이, 환경 측정부(180)는 2개의 센서를 조합하여 기설정된 시간(예컨대, 10분, 30분 등)을 기준으로 부유물질 및 유속을 측정할 수 있다. 일례로 폭풍으로 부유물질이 회오리로 인해 변동되는 상태가 나타나 있다.
제어부(140)는 부유물질 및 유속이 크게 변화되는 경우에는 유효 조건(1301 내지 1303)을 선택하고, 유효 조건 이외의 구간에서 측정 과정을 비활성화시킬 수 있다. 일례로, 제어부(140)는 실제 값으로 나타나는 측정 파라미터에서 20m/s를 초과하는 유속에서 측정 과정을 비활성화시킬 수 있다. 또한, 제어부(140)는 두 번째 파라미터에서는 60mg/L 농도 이상의 부유물질 구간에서는 측정 과정을 비활성화시킬 수 있다.
도 14는 본 명세서의 일 실시 예에 따르는 형광검정선을 이용한 클로로필 및 조류 측정 방법에 대한 흐름도이다.
전처리부(120)는 측정 수역에서 클로로필 및 조류 측정에 이용되는 샘플을 채취한다(S1402). 여기서, 샘플 개수는 미리 설정된 연속 측정에 필요한 개수만큼 채취될 수 있다.
형광 측정부(110)는 측정 수역에서 채취한 샘플의 제1 및 제2 형광강도를 클로로필 측정용 제1 형광센서(111) 및 조류 측정용 제2 형광센서(112)로 측정한다(S1404).
전처리부(120)는 채취한 샘플을 멤브레인 필터로 여과하여 클로로필 a 및 조류를 추출한다(S1406). 예를 들어, 전처리부(120)는 100 내지 150ml의 샘플을 필터로 거르고 5분 동안 75도 상태의 90% 에탄올에서 클로로필 a를 추출할 수 있다. 추출된 클로로필 a는 3Mol/L HCL에 의해서 산화되어 10ml가 취해질 수 있다. 그리고 클로로필 a의 농도는 ISO 표준 방식에 따라서 결정될 수 있다.
전처리부(120)는 그 추출된 클로로필 a 및 조류의 양을 산출한다(S1408).
검정선 생성부(130)는 형광 측정부(110)에서 측정된 제1 및 제2 형광강도와 전처리부(120)에서 산출된 클로로필 a 및 조류의 양 간의 제1 및 제2 상관관계를 분석한다(S1410).
이때, 검정선 생성부(130)는 다수의 샘플로부터 클로로필 a 및 조류의 양 간의 상관관계 데이터가 수집되었는지 여부를 확인한다(S1412).
상기 확인결과(S1412), 클로로필 a 및 조류의 양 간의 상관관계 데이터가 수집되지 않은 경우, 샘플을 채취하는 S1402 과정부터 다시 진행한다. 반면, 클로로필 a 및 조류의 양 간의 상관관계 데이터가 수집된 경우, 검정선 생성부(130)는 분석된 클로로필 a 및 조류의 양 간의 제1 및 제2 상관관계를 기초로 하여 제1 및 제2 형광검정선을 생성한다(S1414).
형광검정선 생성 과정 이후, 형광 측정부(110)는 측정 수역 내의 연속적인 제1 및 제2 형광강도를 제1 및 제2 형광센서(111 및 112)로 실시간 측정한다(S1416).
그리고 제어부(140)는 측정 수역 내의 연속적인 제1 및 제2 형광강도에 대응하는 클로로필 a 및 조류의 양을 검정선 생성부(130)에서 생성된 제1 및 제2 형광검정선에 기초하여 각각 산출한다(S1418).
제어부(140)는 형광강도 측정 시점의 위치 및 기상 분석 결과를 각각 위치 측정부(160) 및 무선 통신부(170)를 통해 수신할 수 있다(S1420). 위치 측정부(160)는 측정 수역 내의 현재 위치를 실시간으로 측정하여 제어부(140)로 전달할 수 있다. 무선 통신부(170)는 기상 측정 시스템(12)으로부터 측정 수역 내의 기상 분석 결과를 실시간으로 수신하여 제어부(140)로 전달할 수 있다.
환경 측정부(180)는 형광강도 측정 시점의 주변 환경 정보를 실시간으로 측정한다(S1422).
제어부(140)는 측정 수역의 현재 위치에 해당하는 기상 분석 결과와 주변 환경 정보를 기반으로 산출된 클로로필 a 및 조류의 산출 데이터가 유효한지 여부를 확인한다(S1424).
상기 확인결과(S1424), 클로로필 a 및 조류의 산출 데이터가 유효하지 않은 경우, 제어부(140)는 연속적인 제1 및 제2 형광강도를 실시간으로 측정하는 S1416 과정으로 진행한다. 예를 들어, 제어부(140)는 측정 수역 내의 유속 측정 결과와 부유물질 측정 결과가 기설정된 임계치 이상인 기간에서 클로로필 a 및 조류 측정 데이터가 유효하지 않아 비활성화시킬 수 있다.
반면, 상기 확인결과(S1424), 클로로필 a 및 조류의 산출 데이터가 유효한 경우, 제어부(140)는 클로로필 a 및 조류의 산출 데이터를 데이터 관리부(190)에 저장하고, 그 클로로필 a 및 조류의 산출 데이터를 무선 통신부(170)를 통해 조류 관리 서버(11)로 송신할 수 있다(S1426).
이때, 처리 흐름도 도면들의 각 블록과 흐름도 도면들의 조합들은 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들에 의해 수행될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 범용 컴퓨터, 특수용 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서에 탑재될 수 있으므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서를 통해 수행되는 그 인스트럭션들이 흐름도 블록(들)에서 설명된 기능들을 수행하는 수단을 생성하게 된다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 특정 방식으로 기능을 구현하기 위해 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 지향할 수 있는 컴퓨터 이용 가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장되는 것도 가능하므로, 그 컴퓨터 이용가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장된 인스트럭션들은 흐름도 블록(들)에서 설명된 기능을 수행하는 인스트럭션 수단을 내포하는 제조 품목을 생산하는 것도 가능하다. 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에 탑재되는 것도 가능하므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에서 일련의 동작 단계들이 수행되어 컴퓨터로 실행되는 프로세스를 생성해서 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 수행하는 인스트럭션들은 흐름도 블록(들)에서 설명된 기능들을 실행하기 위한 단계들을 제공하는 것도 가능하다.
또한, 각 블록은 특정된 논리적 기능(들)을 실행하기 위한 하나 이상의 실행 가능한 인스트럭션들을 포함하는 모듈, 세그먼트 또는 코드의 일부를 나타낼 수 있다. 또, 몇 가지 대체 실행 예들에서는 블록들에서 언급된 기능들이 순서를 벗어나서 발생하는 것도 가능함을 주목해야 한다. 예컨대, 잇달아 도시되어 있는 두 개의 블록들은 사실 실질적으로 동시에 수행되는 것도 가능하고 또는 그 블록들이 때때로 해당하는 기능에 따라 역순으로 수행되는 것도 가능하다.
이때, 본 실시 예에서 사용되는 '~부'라는 용어는 소프트웨어 또는 FPGA또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, '~부'는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 '~부'는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. '~부'는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 '~부'는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들, 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 '~부'들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 '~부'들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 '~부'들로 더 분리될 수 있다. 뿐만 아니라, 구성요소들 및 '~부'들은 디바이스 또는 보안 멀티미디어카드 내의 하나 또는 그 이상의 CPU들을 재생시키도록 구현될 수도 있다.
본 명세서가 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 명세서가 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 명세서의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 명세서의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
한편, 본 명세서와 도면에는 본 명세서의 바람직한 실시 예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 명세서의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 명세서의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예 외에도 본 명세서의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 명세서가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
10: 클로로필 및 조류 측정 시스템 11: 조류 관리 서버
12: 기상 측정 시스템
100: 클로로필 및 조류 측정 장치 110: 형광 측정부
111: 제1 형광센서 112: 제2 형광센서
120: 전처리부 130: 검정선 생성부
140: 제어부 150: 사용자 인터페이스부
160: 위치 측정부 170: 무선 통신부
180: 환경 측정부 190: 데이터 관리부

Claims (13)

  1. 측정 수역에서 채취한 샘플의 제1 형광강도를 클로로필 측정용 제1 형광센서로 측정하고, 상기 채취한 샘플의 제2 형광강도를 조류 측정용 제2 형광센서로 측정하며, 상기 제1 형광센서와 상기 제2 형광센서를 통해 상기 측정 수역 내의 연속적인 제1 형광강도와 제2 형광강도를 실시간 측정하는 형광 측정부;
    상기 채취한 샘플을 멤브레인 필터로 여과하여 클로로필 a 및 조류를 추출하고 상기 추출된 클로로필 a 및 조류의 양을 산출하는 전처리부;
    상기 측정된 제1 형광강도와 상기 산출된 클로로필 a의 양간의 제1 상관관계를 분석하고, 상기 측정된 제2 형광강도와 상기 산출된 조류의 양간의 제2 상관관계를 분석하며, 상기 분석된 제1 상관관계를 기초로 제1 형광검정선을 생성하고, 상기 분석된 제2 상관관계를 기초로 제2 형광검정선을 생성하는 형광검정선 생성부; 및
    상기 생성된 제1 형광검정선에 기초하여 상기 측정 수역 내의 연속적인 제1 형광강도에 대응하는 클로로필 a의 농도 값을 실시간 산출하고, 상기 생성된 제2 형광검정선에 기초하여 상기 측정 수역 내의 연속적인 제2 형광강도에 대응하는 조류의 농도 값을 실시간 산출하는 제어부
    를 포함하는 형광검정선을 이용한 클로로필 및 조류 측정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 클로로필 측정용 제1 형광센서는 클로로필 a 센서이고,
    상기 조류 측정용 제2 형광센서는 밋물용 블루-그린(Blue-Green) 조류 녹조 센서, 유기물 센서(CDOM·Chromophoric Dissolved Organic Matter) 및 해수용 코클로디니움 폴리크리코이데스(Cochlodinium polykrikoides) 적조 센서 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 형광검정선을 이용한 클로로필 및 조류 측정 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 형광 측정부는
    상기 조류 측정용 제2 형광센서가 녹조류 또는 적조류 측정용 형광센서인 경우, 녹조류에 대한 제2 형광강도 또는 적조류에 대한 제2 형광강도를 측정하는 형광검정선을 이용한 클로로필 및 조류 측정 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 형광 측정부는
    410, 525, 570, 590 및 610nm의 5개의 상이한 파장 대의 빛을 여기 시키는 발광 다이오드와 685nm 파장 대의 빛을 측정하는 발광 다이오드로 이루어진 제1 및 제2 형광센서를 구비하는 형광검정선을 이용한 클로로필 및 조류 측정 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 전처리부는
    형광광도계, 스펙트로메트리(Spectrometry) 및 HPLC 중 어느 하나를 이용하여 상기 채취한 샘플로부터 클로로필 a 및 조류를 추출하는 형광검정선을 이용한 클로로필 및 조류 측정 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    측정 수역 내의 현재 위치를 실시간으로 측정하는 위치 측정부; 및
    클로로필 a 및 조류 측정과 관련된 데이터를 무선 통신을 통해 송수신하는 무선 통신부를 더 포함하고,
    상기 제어부는 기상 측정 시스템으로부터 상기 무선 통신부를 통해 수신된 형광강도 측정 시점의 위치 및 기상 분석 결과를 클로로필 a 및 조류 측정 결과에 통합하여 클로로필 a 및 조류 측정 데이터의 유효성을 판별하는 형광검정선을 이용한 클로로필 및 조류 측정 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    탁도, 온도, 대기 중에 빛의 량, 수중에서 깊이에 따른 클로로필 a의 양 및 수중에서의 깊이별 유속, 미생물 군, 잔류 유기물, 주변의 색소, 약화 되는 조류(Pheophytin) 중 적어도 하나를 측정하여 환경 측정 정보를 생성하는 환경 측정부를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 생성된 환경 측정 정보를 이용하여 클로로필 a 및 조류 측정 데이터의 유효성을 판별하는 형광검정선을 이용한 클로로필 및 조류 측정 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 생성된 환경 측정 정보 중에서 측정 수역 내의 유속 측정 결과와 부유물질 측정 결과가 기설정된 임계치 이상인 기간에서 클로로필 a 및 조류 측정을 비활성화시키는 형광검정선을 이용한 클로로필 및 조류 측정 장치.
  9. 측정 수역에서 채취한 샘플의 제1 형광강도를 클로로필 측정용 제1 형광센서로 측정하고, 상기 채취한 샘플의 제2 형광강도를 조류 측정용 제2 형광센서로 측정하는 단계;
    상기 채취한 샘플을 멤브레인 필터로 여과하여 클로로필 a 및 조류를 추출하고 상기 추출된 클로로필 a 및 조류의 양을 산출하는 단계;
    상기 측정된 제1 형광강도와 상기 산출된 클로로필 a의 양간의 제1 상관관계를 분석하고, 상기 측정된 제2 형광강도와 상기 산출된 조류의 양간의 제2 상관관계를 분석하며, 상기 분석된 제1 상관관계를 기초로 제1 형광검정선을 생성하고, 상기 분석된 제2 상관관계를 기초로 제2 형광검정선을 생성하는 단계;
    상기 제1 형광센서와 상기 제2 형광센서를 통해 상기 측정 수역 내의 연속적인 제1 형광강도와 제2 형광강도를 실시간 측정하는 단계; 및
    상기 생성된 제1 형광검정선에 기초하여 상기 측정 수역 내의 연속적인 제1 형광강도에 대응하는 클로로필 a의 농도 값을 실시간 산출하고, 상기 생성된 제2 형광검정선에 기초하여 상기 측정 수역 내의 연속적인 제2 형광강도에 대응하는 조류의 농도 값을 실시간 산출하는 단계
    를 포함하는 형광검정선을 이용한 클로로필 및 조류 측정 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    측정 수역 내의 현재 위치를 실시간으로 측정하는 단계;
    클로로필 a 및 조류 측정과 관련된 데이터를 무선 통신을 통해 송수신하는 단계; 및
    기상 측정 시스템으로부터 상기 무선 통신부를 통해 수신된 형광강도 측정 시점의 위치 및 기상 분석 결과를 클로로필 a 및 조류 측정 결과에 통합하여 클로로필 a 및 조류 측정 데이터의 유효성을 판별하는 단계
    를 더 포함하는 형광검정선을 이용한 클로로필 및 조류 측정 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    탁도, 온도, 대기 중에 빛의 량, 수중에서 깊이에 따른 클로로필 a의 양 및 수중에서의 깊이별 유속, 미생물 군, 잔류 유기물, 주변의 색소, 약화 되는 조류(Pheophytin) 중 적어도 하나를 측정하여 환경 측정 정보를 생성하는 단계; 및
    상기 생성된 환경 측정 정보를 이용하여 클로로필 a 및 조류 측정 데이터의 유효성을 판별하는 단계
    를 더 포함하는 형광검정선을 이용한 클로로필 및 조류 측정 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 생성된 환경 측정 정보 중에서 측정 수역 내의 유속 측정 결과와 부유물질 측정 결과가 기설정된 임계치 이상인 기간에서 클로로필 a 및 조류 측정을 비활성화시키는 단계
    를 더 포함하는 형광검정선을 이용한 클로로필 및 조류 측정 방법.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 클로로필 a 및 조류의 양을 산출하는 단계는,
    형광광도계, 스펙트로메트리(Spectrometry) 및 HPLC 중 어느 하나를 이용하여 상기 채취한 샘플로부터 클로로필 a 및 조류를 추출하는 형광검정선을 이용한 클로로필 및 조류 측정 방법.
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