KR101513604B1 - 미량 시료 검출을 위한 유체 흐름 셀 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 미량 시료 검출을 위한 유체 흐름 셀을 제공하는데, 상기 유체 흐름 셀은, 소정의 내경을 가지는 중공의 모세관 빛을 상기 모세관 내부에 도입하기 위하여 상기 모세관의 내경보다 작은 외경을 가지되, 일측 단부는 상기 모세관 내부에 삽입되어 배치되는 입력 광섬유 상기 입력 광섬유로부터 상기 모세관을 통하여 전파되는 빛을 수용하는 출력 광섬유 상기 입력 광섬유를 둘러싸서 지지하되 유체가 유입되는 유입구를 구비하는 입력 광섬유 홀더 상기 모세관을 둘러싸서 지지하며, 상기 입력 광섬유 홀더에 체결되는 모세관 홀더 및 상기 출력 광섬유를 둘러싸서 지지하되, 상기 유체가 유출되는 유출구를 구비하며, 상기 모세관 홀더에 체결되는 출력 광섬유 홀더를 포함한다.

Description

미량 시료 검출을 위한 유체 흐름 셀{Fluid Flowing Cell For Analyzing Micro-Sample}
본 발명은 내부적으로 전반사에 의해 빛을 유도하는 섬유에 결합되어 내부를 유동하는 유체 샘플을 광학적으로 분석하는 미량 시료 검출을 위한 유체 흐름 셀에 대한 것으로서, 더욱 자세하게는, 시료가 포함된 유체를 알루미늄으로 외측표면이 코팅된 모세관으로 통과시켜 광학적 특성을 분석하는 유체 흐름 셀에 대한 것이다.
고압 액체 크로마토크래피(high pressure liquid chromatography, HPLC)는 고압 펌프, 컬럼, 검출기 등으로 이루어진 분리 분석 장치로, 용액상에 들어있는 혼합 물질을 성분별로 분리하고, 각 구성 물질에 대한 종류와 농도를 분석하기 위한 장치이다.
이 장치에서는 고압펌프를 이용하여 용액을 분당 1mL 이상의 유속으로 튜빙을 통해서 이동시키고, 10uL 이상의 액상 혼합 시료를 컬럼에 주입한 후 컬럼에서 혼합물질을 성분별로 분리하고 분리된 물질은 흡광 검출기나 굴절율 검출기 등을 사용하여 개별 물질들을 분석한다.
이때 흡광 검출기는 흐름 셀에 유입된 물질에 대해 흡광도를 측정함으로써 성분 및 농도를 결정하게 되며 흡광도는 아래의 Beer의 법칙에 따라서 결정된다.
A=εbc=log(1/T)=log(P0/P)
여기서, 기호"A"는 용액내 물질의 흡광도를 나타내며, "ε"은 분석 물질의 몰 흡광율, "c"는 분석 물질의 농도, "b"는 흐름셀의 광 경로 길이, "T"는 투과율, "P0"은 입사광 파워, 그리고"P"는 조사되는 광파워(light power)를 의미한다.
일반적으로 여러가지 종류의 HPLC의 흡광 검출기는 아래 사항을 포함하는 몇가지의 공통의 동작 특성을 요구한다.
(1) 낮은 농도의 시료를 관측하기 위한, 고감도 혹은 큰 신호대 잡음비(S/N),
(2) 혼합 시료에서 각 물질들의 분리에 따른 분해능을 확보하기 위한 낮은 분산
(3) 낮은 농도와 높은 농도의 시료에 대한 흡광도가 검출기의 감도 조절 없이 한번에 결정될 수 있기 위한 넓은 선형 다이내믹 레인지.
일반적으로 10의 4승에서 10의 5승의 선형 다이내믹 레인지를 가지는 HPLC 시스템은 100 마이크로 AU(흡광도의 단위) 이하의 흡광도를 측정할 수 있다. 노이즈 레벨은 대개 20에서 40 마이크로 AU 범위에 있다. 한편, 분해능은 시스템 내에서 크로마토그래피 칼럼과 분산의 성능에 영향을 받는다. 칼럼에 의해서 분리된 화합물은 검출기를 통과한다.
최근에는 초고속 액체크로마토그래피 (Ultra High Pressure Liquid Chromatography, UHPLC)가 개발되어 사용되고 있다. UHPLC에서는 분석 시료의 컬럼내 주입량을 2uL 이하로 줄이고, 컬럼의 충진물을 HPLC의 컬럼보다 더 작은 입자 (직경 1~2um) 와 작은 내경의 컬럼을 사용하여 물질의 분리도는 높이고 확산을 줄이게 된다.
또한 용액이 이동하는 튜빙 내에서의 시료 확산을 줄이기 위해 내경이 작은 튜빙을 사용하며, 따라서 유속도 감소됨에 따라 분해능이 향상되었다. 이렇게 높은 분해능으로 분리된 미량의 시료를 HPLC의 검출기와 같은 감도로 효율적으로 검출하기 위해서는 흡광검출기의 성능도 향상되어야 한다.
즉 흡광 검출기의 감도는 검출기 내부의 흐름셀의 광경로길이에 비례하므로 UHPLC에서는 HPLC의 검출기와 동등한 감도를 갖도록 하기 위해 광경로는 10mm 로 동일하게 유지하여야 한다.
하지만 흐름셀 내부에서의 시료 확산을 줄이기 위해서는 흐름셀의 부피를 시료 주입량과 유사하게 맞춰야 하므로 흐름셀의 내부 부피는 2uL 이하가 되어야 하며 따라서 흐름셀의 직경은 0.5mm 이하가 되어야 한다.
고감도의 흡광 검출을 위해서는 광원에서 방출되는 빛을 모아 정밀하게 흐름셀의 입구에 조사하여야 하며 흐름셀 내부에서의 빛의 이동은 외부로 퍼짐없이 흐름셀을 통과한 후 검출기에 도달하여야 한다.
하지만 기존 흡광검출기에는 단순히 광원의 빛을 렌즈로 모아 흐름셀의 입구로 조사하는 방식으로 되어 있어 UHPLC에서 채택되는 직경 0.5mm 의 흐름셀 입구에 정밀하게 조사하기 힘들며, 또한 렌즈로 모아진 빛은 초점을 지난 후 다시 확산되어 흐름셀 내부에서 빛이 퍼지게 되고 정밀하게 모든 빛이 출구를 통해 지나가지 않으므로 검출 효율이 저하되게 된다.
따라서 본 발명에서는 이와 같은 기존 흡광 검출기의 단점을 보완하고 감도를 높이는 방법을 제안하게 되었다. 즉,
광원으로부터 방출된 빛은 렌즈를 통해 광섬유에 모으고 이 입사 광섬유의 출구는 흐름셀의 입구와 일치 시킨다. 또한 흐름셀 내부에는 외벽이 알루미늄으로코팅된 속이 빈 모세관을 장착하여 이 모세관 내부를 통해 시료 용액이 흐르게 되고, 입사 광섬유를 통해 유도된 빛은 모세관 내부로 유입되게 된다.
모세관의 외벽은 반사도가 높은 알루미늄으로 코팅되어 있으므로 모세관 내부에서 확산되는 빛은 다시 알루미늄 코팅 막에 의해 반사되면서 내부 전반사 (internal total reflection) 효과를 가지고 모세관 내부를 통과하게 됨으로써 외부로의 확산에 의한 빛 손실을 줄여 모세관 내부를 흐르는 시료에 대한 고감도 흡광 검출이 가능하게 된다.
아울러 모세관 출구에는 다시 모세관을 통과한 빛을 모아 검출기로 전달하는 광섬유을 장착하여 빛 손실로 인한 검출 감도 저하를 최대한 줄인 흡광 검출기를 개발하게 되었다.
본 발명의 기본적인 목적은 분석하고자 하는 시료가 포함된 유동 유체의 광학적 분석 성능을 향상시킬 수 있는 미량 시료 검출을 위한 유체 흐름 셀을 제공하는 것이다.
전술한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일실시예에 따른 미량 시료 검출을 위한 유체 흐름 셀은, 소정의 내경을 가지는 중공의 모세관 빛을 상기 모세관 내부에 도입하기 위하여 상기 모세관의 내경보다 작은 외경을 가지되, 일측 단부는 상기 모세관 내부에 삽입되어 배치되는 입력 광섬유 상기 입력 광섬유로부터 상기 모세관을 통하여 전파되는 빛을 수용하는 출력 광섬유 상기 입력 광섬유를 둘러싸서 지지하되 유체가 유입되는 유입구를 구비하는 입력 광섬유 홀더 상기 모세관을 둘러싸서 지지하며, 상기 입력 광섬유 홀더에 체결되는 모세관 홀더 및 상기 출력 광섬유를 둘러싸서 지지하되, 상기 유체가 유출되는 유출구를 구비하며, 상기 모세관 홀더에 체결되는 출력 광섬유 홀더를 포함한다.
여기서, 상기 모세관의 내경은 500 마이크로미터 이하이며 길이는 10 내지 50 밀리미터이며 외측 표면은 알루미늄 코팅부를 구비한다. 특히, 상기 알루미늄 코팅부의 두께는 실질적으로 500 옴스트롱이다.
상기 입력 광섬유 홀더의 유입구는 상기 유입구를 통하여 유입되는 유체가 상향 유동하여 홀더 내부에 유입되도록 배향된다.
상기 출력 광섬유 홀더의 유출구는 상기 입력 광섬유 홀더의 유입구의 연장 방향에 대하여 교차하도록 상기 출력 광섬유 홀더의 반경방향으로 연장된다.
입력 광섬유와 모세관은 동축방향으로 배열된다.
또한, 상기 유입구와 유출구는 모세관의 길이방향에 경사지게 형성된다.
상기 입력 광섬유의 일측 단부에는 수정 윈도우 플레이트가 구비된다.
상기 유입구의 입력 광섬유 홀더 내부의 개구는 상기 입력 광섬유의 측면을 향하여 형성된다.
상기 유출구의 출력 광섬유 홀더 내부의 개구는 상기 출력 광섬유의 측면을 향하여 형성된다.
상기 입력 광섬유와 상기 모세관은 모세관의 축방향으로 부분적으로 중첩된다.
본 발명에 따른 미량 시료 검출을 위한 유체 흐름 셀에 의하면 다음과 같은 효과가 도출된다.
첫째, 유체 시료가 통과하는 통로에서 광학적 간섭을 방지하기 위하여 모세관의 외측 표면이 반사물질로 코팅이 되므로 모세관 내부의 전반사 효과로 흡광 분석의 정확성이 향상된다.
둘째, 유동하는 유체 시료와 직접 접촉하게 되는 모세관의 내측 표면이 아니라 모세관의 외측 표면에 코팅부가 형성되므로 코팅부의 내구성이 향상된다.
셋째, 유동하는 유체는 경사지게 상향하여 유체 흐름 셀 내부의 유동 공간으로 도입되므로 유동 저항이 작게 된다.
넷째, 모세관의 외측 표면의 코팅은 알루미늄 소재를 이용하여 500 옴스트롱의 두께로 코팅되므로 최적의 반사성능을 가지게 된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 미량 시료 검출을 위한 유체 흐름 셀을 포함하는 분석 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 미량 시료 검출을 위한 유체 흐름 셀을 분해 사시도이다.
도 3은 도 2의 유체 흐름 셀에서 결합 스크류 및 가이드 핀의 도시를 생략한 상태의 조립된 단면도이다.
도 4는 도 2의 모세관의 외측 원통형 표면의 알루미늄 코팅부의 코팅 두께에 따른 파장 별 반사율의 관계를 도시하는 그래프이다.
도 1 및 도 2에는 본 발명의 일실시예에 따른 미량 시료 검출을 위한 유체 흐름 셀(100)이 상세하게 나타나고 있다. 도 2는 도면의 명확화를 위하여, 도 1의 유체 흐름 셀에서 결합 스크류 및 가이드 핀의 도시를 생략한 상태의 조립된 단면도이다
이러한 유체 흐름 셀(100)은 그 내부를 유체가 흐르는 소정의 내경을 가지는 중공의 원통 형상의 유리로 된 모세관(170)를 포함한다. 빛은 모세관(170)을 따라서 전송된다. 모세관의 외벽은 알루미늄으로 코팅되어 빛을 가이드하는 도파관을 형성한다.
또한, 이러한 유체 흐름 셀(100)은 빛을 상기 모세관(170) 내부에 도입하기 위하여 상기 모세관(170)의 내경보다 작은 외경을 가지되, 그 일측 단부는 상기 모세관(170) 내부에 삽입되어 배치되는 입력 광섬유(194)와, 상기 입력 광섬유(194)로부터 상기 모세관(170)을 통하여 전파되는 빛을 수용하는 출력 광섬유(172)와, 상기 입력 광섬유(194)를 둘러싸서 지지하되 유체가 유입되는 유입구(123)를 구비하는 입력 광섬유 홀더(120)와, 상기 모세관(170)를 둘러싸서 지지하며, 상기 입력 광섬유 홀더(120)에 체결되는 모세관 홀더(130)와, 상기 출력 광섬유(172)를 적어도 부분적으로 둘러싸서 지지하되 상기 유체가 유출되는 유출구(143)를 구비하며 상기 모세관 홀더(130)에 체결되는 출력 광섬유 홀더(140)를 포함한다.
상기 모세관 홀더(130)의 전면(135)에 대응하여 상기 입력 광섬유 홀더(120)의 배면(127)이 대응되어 체결되고, 상기 모세관 홀더(130)의 배면(137)에 대응하여 상기 출력 광섬유 홀더(140)의 전면(145)가 대응되어 체결된다.
또한, 상기 입력 광섬유 홀더(120)와 상기 모세관 홀더(130) 그리고 상기 출력 광섬유 홀더(140)의 체결시에 정확한 체결 위치를 가이드 하기 위하여 예를 들어 2개의 가이드 로드(162)가 입력 광섬유 홀더(120)에 형성된 가이드 로드 삽입공(미도시), 모세관 홀더(130)에 형성된 가이드 로드 삽입공(136) 및 출력 광섬유 홀더(140)에 형성된 가이드 로드 삽입공(146)을 관통하여 삽입된다.
필요에 따라 상기 출력 광섬유 홀더(140)의 배면(147)에 대응되어 출력 광섬유(172)를 적어도 부분적으로 둘러싸는 본체(150)가 구비될 수 있다.
이 경우 상기 가이드 로드(162)는 상기 본체(150)에 형성된 본체 가이드 로드 삽입공(156)까지 연장되어 삽입될 수 있다.
상기 본체의 외측 표면에는 조립된 유체 흐름 셀(100)을 검출부에 정확하게 위치시키기 위해 설치 가이드로서 평평부(159)가 형성될 수 있다.
한편, 입력 광섬유 홀더(120)의 전면(120)에 대응하여 입력 커버(110)가 배치되는데, 상기 입력 커버(110)에는 그 중앙에 입력 커버 보어(112)가 형성되어 있다.
상기 입력 광섬유 홀더(120) 내부에 적어도 부분적으로 삽입되는 입력 광섬유(194)의 일측 단부에는 입력 광섬유 헤드(192)가 구비되어, 상기 입력 광섬유 헤드(192)는 상기 입력 광섬유 홀더(120)의 전면(125)에 돌출되어 형성된 돌기부(122) 내부에 삽입되며, 상기 돌기부(122)는 상기 입력 커버(110)의 입력 커버 보어(112)에 끼워 삽입되게 된다. 상기 입력 광섬유 헤드(192)에는 광원 입력단측에 수정 윈도우 플레이트가 형성되어 있다.
상기 입력 커버(110), 상기 입력 광섬유 홀더(120), 상기 모세관 홀더(130), 상기 출력 광섬유 홀더(140) 및 본체(150)를 체결하여 고정하기 위하여 각각에 형성된 스크류 관통공(114, 124, 134, 144, 154)가 구비되며, 상기 입력 커버(110)의 전면(115)와 상기 본체(150)의 배면(157)을 통하여 각각 입력 스크류(160)와 본체 스크류(164)가 삽입되어 체결된다.
상기 본체(150)의 배면(157)측의 중앙에는 출력 광섬유(172)를 단부에서 지지하기 위한 광섬유 홀더(180)가 구비된다.
상기 입력 광섬유(194)의 타측 단부는 상기 모세관(170) 내부에 부분적으로 중첩되어 배치된다.
상기 모세관(170)의 내경(D1)은 상기 입력 광섬유(194)의 외경(D2)보다 크게 형성된다. 이것에 의해 광섬유의 모든 출력 모드가 모세관에 의해 포획된다. 이때, 입력 광섬유(194)와 모세관(170)는 동축방향으로 배열된다.
도 2로 도시된 실시예에서 모세관의 양측 단부는 모세관의 내측 관보다 코어 내측방향으로 단차를 형성하여 더 연장되어 형성되어 있다. 또한 모세관의 외벽은 반사율이 높은 알루미늄으로 코팅됨으로써 이러한 구조로 인하여 모든 광모드가 포획 되어 모세관(173)를 따라서 전송된다.
모세관(170) 및 흐르는 유체에 의해서 만들어지는 유체 도파관 내에서 전송되는 빛은 출력 광섬유(172)로 수집되어 분광계에 전송된다. 상기 분광계는 파장의 함수로서의 광강도를 나타내는 출력 신호를 제공한다.
한편, 상기 입력 광섬유 홀더(120)의 전면(120)의 하측 방향에는 전면의 일부가 경사지게 절개되어 형성된 사면(121)이 구비된다. 또한, 상기 입력 광섬유 홀더(120)의 유입구(123)는 상기 사면(121)에 실질적으로 수직하게 형성되므로 결국 상기 유입구(123)를 통하여 유입되는 유체는 경사지게 상향 유동하여 입력 광섬유 홀더(120) 내부에 유입되게 된다.
이 경우 유체는 중력을 거슬러 유동하게 되므로 유체는 후속하는 유체에 의해 밀려지게 되어 유동하므로 유체 내부에 기포의 발생이 방지되게 된다.
한편, 상기 출력 광섬유 홀더(140)의 배면(147)에는 배면(147)에 경사지게 사면(141)이 형성되며, 상기 사면(141)에 수직하게 유출구(143)이 형성된다. 이때, 상기 출력 광섬유 홀더(140)의 유출구(143)는 상기 입력 광섬유 홀더(120)의 유입구(123)의 연장 방향에 대하여 교차하도록, 즉 오정렬되어 상기 출력 광섬유 홀더(140)의 반경방향으로 연장된다.
상기 유입구(123)와 유사하게 유출구(143)는 모세관(170)의 길이방향에 경사지도록 형성되어 유체의 유동 저항을 감소시키게 된다.
상기 입력 광섬유 홀더(120)와 상기 모세관(170) 사이에는 제 1 오링(O1)이 배치되고 상기 모세관(170)와 상기 출력 광섬유 홀더(140) 사이의 접촉면에도 제 2 오링(O2)가 배치되어 유체의 누설이 방지된다.
도 1 및 도 2에 의하면, 상기 출력 광섬유 홀더(140)의 배면(147)에 접촉하여 본체(150)가 연결되는 것으로 도시되고 있는데, 출력 광섬유 홀더(140)의 축방향 길이를 연장함으로써 별도로 본체(150)를 구비하지 않을 수도 있다.
한편, 전반사 미러 효과를 달성하기 위하여, 상기 모세관(170)의 외측 표면은 알루미늄을 포함하는 코팅부(173)를 구비하며, 상기 코팅부(173)의 두께는 실질적으로 500 옴스트롱이다.
본 발명에서 두께에 대한 수치는 제작 공차 및 측정 공차를 포함하므로 예를 들어 499.5 옴스트롱 또는 500.5 옴스트롱과 같은 두께도 실질적으로 본 발명의 코팅부의 두께에 포함된다.
상기 코팅부(173)를 형성함으로써, 모세관의 내부 표면을 코팅하는 것보다는 산화로 인한 전반사 미러가 손상되는 것이 방지되는 잇점이 있으며, 나아가 시료 유체와의 화학적 반응으로 인한 측정 오차의 발생을 원천적으로 차단할 수 있다.
상기 코팅부(173)를 알루미늄으로 형성함으로써 금이나 은에 비하여 자외선 영역에서 반사율이 감소되는 이점이 있는데 알루미늄으로 코팅부를 형성하는 것은 공지의 증착 방법에 의해 행해질 수 있다.
상기 코팅부(173)의 최적의 두께를 찾기 위한 실험으로서 두께별로 파장에 따른 반사율을 측정한 도 3을 참고하면, 두께가 100옴스트롱에서는 파장대별로 반사율의 차이가 심하며 전반적으로 반사율이 낮은데 비하여, 500옴스트롱 이상에서는 파장에 따른 반사율의 차이가 거의 없이 균일한 반사율이 확인되었으며 반사율이 상승하는 것을 확인하였다.
더 이상의 두께로 코팅부를 형성하더라도 반사율의 향상이 더 이상 발견되지는 않는 점을 고려한다면 코팅부의 두께는 실질적으로 500옴스트롱에서 최대의 반사율을 균일하게 얻을 수 있었다.
본 발명의 특정의 실시예에 대한 전술한 사항은 예시 및 설명의 목적을 위한 것이지 기술내용을 한정하는 것을 의도한 것이 아니다. 그리고 전술한 사항에 비추어 많은 개량과 변화가 가능하다.
실시예는 본 발명의 원리 및 그 실제의 적용을 가장 잘 설명해 거기에 따라서 다른 당업자가 본 발명을 가장 잘 실시할 수 있도록 하기 위해서 선택되어 설명되었다. 그리고 특정의 용도에 적절한 다수의 개량을 수반한 여러가지 실시예가 고려될 수 있다. 본 발명의 범위는 여기에 첨부된 특허청구범위 및 그 균등물에 의해서 규정되는 것을 포함한다.
100: 유체 흐름 셀 110: 입력 커버
120: 입력 광섬유 홀더 130: 모세관 홀더
140: 출력 광섬유 홀더 150: 본체
170: 모세관

Claims (5)

  1. 소정의 내경을 가지는 중공의 모세관
    빛을 상기 모세관 내부에 도입하기 위하여 상기 모세관의 내경보다 작은 외경을 가지되, 일측 단부는 상기 모세관 내부에 삽입되어 배치되는 입력 광섬유
    상기 입력 광섬유로부터 상기 모세관을 통하여 전파되는 빛을 수용하는 출력 광섬유
    상기 입력 광섬유를 둘러싸서 지지하되 유체가 유입되는 유입구를 구비하는 입력 광섬유 홀더
    상기 모세관을 둘러싸서 지지하며, 상기 입력 광섬유 홀더에 체결되는 모세관 홀더 및
    상기 출력 광섬유를 둘러싸서 지지하되, 상기 유체가 유출되는 유출구를 구비하며, 상기 모세관 홀더에 체결되는 출력 광섬유 홀더를 포함하며,
    상기 모세관의 외측 표면은 알루미늄 코팅부를 구비하는 것을 특징으로 하는 미량 시료 검출을 위한 유체 흐름 셀.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 알루미늄 코팅부의 두께는 실질적으로 500 옴스트롱인 것을 특징으로 하는 미량 시료 검출을 위한 유체 흐름 셀.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 입력 광섬유 홀더의 유입구는 상기 유입구를 통하여 유입되는 유체가 상향 유동하여 홀더 내부에 유입되도록 배향되는 것을 특징으로 하는 미량 시료 검출을 위한 유체 흐름 셀.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 출력 광섬유 홀더의 유출구는 상기 입력 광섬유 홀더의 유입구의 연장 방향에 대하여 교차하도록 상기 출력 광섬유 홀더의 반경방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는 미량 시료 검출을 위한 유체 흐름 셀.
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