KR101798601B1 - 포터블 바이오 에어로졸 포집 장치 및 분석방법 - Google Patents

포터블 바이오 에어로졸 포집 장치 및 분석방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 포터블 바이오 에어로졸 포집 장치 및 분석방법에 관한 것으로, 공기 유입구를 포함하는 제1본체; 상기 제1본체와 접합되며, 공기 유출구를 포함하는 제2본체; 및 상기 제1본체 및 제2본체가 접합되어 형성되는 포집 영역을 포함하는 포터블 바이오 에어로졸 포집 장치를 제공한다.

Description

포터블 바이오 에어로졸 포집 장치 및 분석방법{Portable bio-aerosol collector and bio-aerosol analyzing method}
본 발명은 포터블(Portable) 바이오 에어로졸(Bio-aerosol) 포집 장치 및 이를 이용한 바이오 에어로졸 분석방법에 관한 것이다.
기존의 바이오 에어로졸(세균, 곰팡이 등)을 포집하는 장비(임팩터)의 경우, 포집을 위해 한천 평판 배지(agar plate)를 준비하고 배양(최대 2주 이상)하는 등 번거로운 작업이 필요하다. 또한, 기존 충돌법을 이용하여 공기 중 미생물을 측정하는 장치(Impactor)는 설계 변수가 다양하고 가공이 어려우며 고가이다.
본 발명의 목적은 소형이고 가공법이 단순하며 특별한 전문 기술이 없는 일반인들도 누구나 쉽게 간편하게 사용이 가능하고, 공기 중 모든 종류의 미생물을 손쉽게 효과적으로 포집하여 여러 가지 분석 장비에 적용이 가능한 포집 장치 및 이를 이용한 분석방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 상술한 목적을 달성하기 위해, 공기 유입구를 포함하는 제1본체; 상기 제1본체와 접합되며, 공기 유출구를 포함하는 제2본체; 및 상기 제1본체 및 제2본체가 접합되어 형성되는 포집 영역을 포함하는 포터블 바이오 에어로졸 포집 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 장치는 제1본체 또는 제2본체는 상기 제1본체 및 제2본체의 접합을 고정시키기 위한 고정 수단을 추가로 포함할 수 있다.
본 발명에서 고정 수단은 제1본체 또는 제2본체에 형성된 걸림 턱에 걸림 결합하는 걸림 고리, 및 상기 걸림 고리의 걸림 결합을 형성 및 해제하는 레버를 포함할 수 있다.
본 발명에서 고정 수단은 제1본체 및 제2본체에 형성된 나사 홀, 및 상기 나사 홀과 나사 결합하는 나사를 포함할 수 있다.
본 발명에서 포집 영역은 상기 제1본체 및 제2본체의 접합면에 각각 형성된 음각부의 접합에 의해 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 장치는 포집 영역에 삽입되는 포집 도구를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명에서 포집 도구는 면봉 또는 필터일 수 있다.
본 발명에서 제1본체는 공기 유입구와 포집 영역을 연결하는 공기 홀을 포함하고, 제2본체는 포집 영역과 공기 유출구를 연결하는 공기 홀을 포함할 수 있다.
본 발명에서 제1본체 및 제2본체는 각각 접합면에 형성되는 홈을 포함할 수 있고, 본 발명에 따른 장치는 상기 홈에 삽입되는 밀봉 수단을 추가로 포함할 수 있다.
본 발명에서 밀봉 수단은 고무 링일 수 있다.
본 발명에 따른 장치는 공기 유출구 또는 공기 유입구와 연결되는 펌프를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 장치는 하기 수학식 1로 표시되는 포집 효율(Ecollection)이 95 내지 100%의 범위 내에 있을 수 있다.
[수학식 1]
Ecollection = [1 - (Nafter/Nbefore)] × 100
상기 수학식 1에서, Nbefore는 포집장치 전단에서의 미생물 농도(#/㎥)를 의미하고, Nafter는 포집장치 후단에서의 미생물 농도(#/㎥)를 의미한다.
본 발명에 따른 장치는 100 L/min 내지 200 L/min의 고속 유량에서도 상기 포집 효율(95 내지 100%)을 유지할 수 있다.
또한, 본 발명은 바이오 에어로졸 포집 도구를 제1항의 포터블 바이오 에어로졸 포집 장치 내 포집 영역에 위치시킨 후, 공기를 유입시켜 바이오 에어로졸을 포집하는 단계; 및 상기 바이오 에어로졸 포집 도구에 포집된 바이오 에어로졸을 분석하는 단계를 포함하는 바이오 에어로졸의 분석방법을 제공한다.
본 발명에서 공기의 유입은 펌프를 이용하여 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 분석 단계에서 용출액을 이용하여 포집 도구로부터 바이오 에어로졸만을 추출한 후, 빛의 강도를 측정하여 미생물을 정량화할 수 있다.
본 발명에서는 아데노신3인산(ATP) 생물발광 키트를 이용하여 빛의 강도를 측정할 수 있다.
본 발명에 따른 분석 단계에서 포집 도구를 액체로 씻어낸 후, 씻어낸 액체를 질량 분석할 수 있다.
본 발명에서 질량 분석은 MALDI-TOF(Matrix-Assisted Laser Desorption and Ionization-Time of Flight) 질량분석기기(Mass Spectrometer)를 이용하여 수행할 수 있다.
본 발명에 따른 분석 단계에서 포집 도구를 액체로 씻어낸 후, 씻어낸 액체를 중합효소 연쇄반응(PCR) 분석할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 분석 단계에서 포집 도구를 액체로 씻어낸 후, 씻어낸 액체를, 예를 들면 아가 플레이트(Agar plate)에 도말하여 정량 분석할 수 있다.
본 발명에 따르면, 공기 중 모든 종류의 미생물을 손쉽게 효과적으로 포집하여 여러 가지 분석 장비에 적용이 가능하다. 또한, 기존의 포집 장치는 고가이고 고도의 숙련된 기술을 요구하지만, 본 발명에 따른 포집 장치는 소형이고 가공법이 단순하며 특별한 전문 기술이 없는 일반인들도 누구나 쉽게 간편하게 사용이 가능하다. 따라서, 본 발명에 따른 장치와 방법은 최근 관심이 많이 쏠리는 공기 중 미생물을 간편하게 포집할 수 있고 다양한 분석기기로 분석이 가능하므로 그 수요가 많을 것이다.
도 1은 본 발명의 제1실시형태에 따른 포집 장치의 제1본체의 평면도 및 장치 전체의 종단면도이다.
도 2는 본 발명의 제1실시형태에 따른 포집 장치의 제1본체의 종단면도 및 제2본체의 평면도이다.
도 3은 본 발명의 제2실시형태에 따른 포집 장치의 사시도이다.
도 4 및 5는 본 발명에 따른 미생물 포집 및 분석을 나타낸 개략도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 포집 장치 내 포집 도구에 바이오 에어로졸이 포집되기 전과 후의 SEM 이미지를 도시한 것이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1실시형태에 따른 포집 장치의 제1본체의 평면도 및 장치 전체의 종단면도이고, 도 2는 본 발명의 제1실시형태에 따른 포집 장치의 제1본체의 종단면도 및 제2본체의 평면도이다.
이 실시형태에 따른 포집 장치는 크게 구분하여 제1본체(10), 제2본체(20), 밀봉 수단(30), 고정 수단(40), 포집 도구(50) 등을 구비할 수 있다.
제1본체(10)는 위쪽에 배치되는 뚜껑에 해당하는 것으로, 금속이나 플라스틱 등으로 제작될 수 있고, 대략 원통형 등으로 이루어질 수 있다.
제1본체(10)의 상부 또는 측면에는 공기 유입구(11)가 형성될 수 있고, 이 공기 유입구(11)로부터 공기가 유입될 수 있다. 공기 유입구(11)에는 도 3에 도시된 바와 같이, 연결관(61)이 삽입될 수 있다.
제1본체(10)의 접합면인 하면에는 음각부(12)가 형성될 수 있다. 제1본체(10)의 음각부(12)는 제2본체(20)의 음각부(22)와 결합하여 포집 영역을 형성하고, 이 포집 영역에 포집 도구(50)가 삽입될 수 있다. 음각부(12)는 포집 도구(50)의 상부와 맞물리도록 포집 도구(50)의 상부 형상과 크기대로 형성될 수 있다. 도면에는 포집 도구(50)로서 면봉이 예시되어 있고, 음각부(12)도 면봉 형상으로 형성되어 있다.
제1본체(10)의 내부에는 공기 유입구(11)와 포집 영역인 음각부(12)를 연결하는 공기 홀(13)이 형성될 수 있다. 공기 유입구(11)로부터 유입된 공기는 공기 홀(13)을 통해 음각부(12)로 흐를 수 있다.
제1본체(10)의 접합면인 하면에는 하나 또는 복수의 홈(14)이 형성될 수 있다. 이 홈(14)에는 고무 링과 같은 밀봉 수단(30)이 삽입될 수 있다. 홈(14)은 원형 등으로 형성될 수 있고, 밀봉 수단(30)과 맞물리도록 밀봉 수단(30)의 상부 형상과 크기대로 형성될 수 있다.
제1본체(10)에는 고정수단인 나사(40)와 나사 결합하는 나사 홀(15)이 형성될 수 있다. 나사 홀(15)은 하나, 바람직하게는 복수 개로 형성될 수 있다. 나사 홀(15)에는 나사선이 형성될 수 있다. 나사 결합을 위해, 제1본체(10)의 상부 측면이 들어가거나 하부 측면이 돌출될 수 있다. 즉, 상부는 직경이 작고 하부는 직경이 크게 형성될 수 있다.
제2본체(20)는 아래쪽에 배치되고 포집 도구(50)를 올려놓는 받침에 해당하는 것으로, 금속이나 플라스틱 등으로 제작될 수 있고, 원통형 등으로 이루어질 수 있다.
제2본체(20)의 측면 또는 하부에는 공기 유출구(21)가 형성될 수 있고, 이 공기 유출구(21)로부터 공기가 유출될 수 있다. 공기 유출구(21)에는 도 3에 도시된 바와 같이, 연결관(60)이 삽입될 수 있다.
제2본체(20)의 접합면인 상면에는 음각부(22)가 형성될 수 있다. 상술한 바와 같이, 제2본체(20)의 음각부(22)는 제1본체(10)의 음각부(12)와 결합하여 포집 도구(50)가 삽입되는 포집 영역을 형성할 수 있다. 음각부(22)는 포집 도구(50)의 하부와 맞물리도록 포집 도구(50)의 하부 형상과 크기대로 형성될 수 있다.
제2본체(20)의 내부에는 공기 유출구(21)와 포집 영역인 음각부(22)를 연결하는 공기 홀(23)이 형성될 수 있다. 포집 영역인 음각부(22)로부터 유입된 공기는 공기 홀(23)을 통해 공기 유출구(21)로 흐를 수 있다.
제2본체(20)의 접합면인 상면에는 고무 링과 같은 밀봉 수단(30)이 삽입되는 하나 또는 복수의 홈(24)이 형성될 수 있다. 홈(24)은 원형 등으로 형성될 수 있고, 밀봉 수단(30)과 맞물리도록 밀봉 수단(30)의 하부 형상과 크기대로 형성될 수 있다.
제2본체(20)에는 고정수단인 나사(40)와 나사 결합하는 하나 또는 복수의 나사 홀(25)이 형성될 수 있다.
밀봉 수단(30)은 제1본체(10) 및 제2본체(20)의 홈(14, 24)에 삽입되어 포집 장치의 밀봉 성능을 개선할 수 있다. 밀봉 수단(30)으로는 고무 링 등을 사용할 수 있다. 도면에 예시된 바와 같이, 최외곽쪽 및 그 안쪽에 복수의 밀봉 수단(30)을 배치함으로써 이중 또는 삼중 이상으로 밀봉하여 밀봉 성능을 개선할 수 있다.
나사(40)는 고정수단으로서, 각 본체(10, 20)의 나사 홀(15, 25)과 나사 결합하여 각 본체(10, 20)를 고정시킬 수 있다.
포집 도구(50)는 포집 영역에 삽입되어 바이오 에어로졸을 포집할 수 있다. 바이오 에어로졸이란 생물학적 인자들이 기체적 환경에 미세한 입자로 분산된 상태로 정의할 수 있고, 미생물과 다양한 생명체에서 배출되는 파면이나 독소 및 입자상 물질 등을 포함할 수 있다. 포집 도구(50)로는 면봉, 필터 등을 사용할 수 있고, 바람직하게는 면봉을 사용할 수 있다. 면봉은 주변에서 쉽게 구할 수 있고, 포집 장치에 간편하게 설치할 수 있으며, 포집 효율도 우수하다. 면봉은 나무나 플라스틱으로 구성된 지지막대와 막대의 말단에 부착된 필터부로 구성될 수 있다. 면봉과 같이, 포집 도구(50)의 말단에는 필터부 등으로 구성된 포집부(51)가 구비될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 포집 장치는 펌프(미도시)를 구비할 수 있다. 펌프는 포집 장치 내로 공기를 유입시킨 뒤 유출시키는 공기 흐름의 구동원이다. 펌프는 튜브나 파이프 등을 통해 공기 유출구(21), 공기 유입구(11) 또는 연결관(60, 61)과 연결될 수 있다.
도 3은 본 발명의 제2실시형태에 따른 포집 장치의 사시도로서, 이 실시형태는 제1실시형태와 고정수단이 다르다. 즉, 나사 결합이 아닌 걸림 결합을 통해 각 본체(10, 20)를 고정시킬 수 있다. 고정수단을 제외한 나머지 구성요소들은 제1실시형태와 동일하거나 유사하며, 따라서 나머지 구성요소들에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
제2실시형태의 고정수단(70)은 걸림 고리(71), 레버(72), 고정 브라켓(73) 등을 구비할 수 있으며, 도시락이나 반찬통 등에 사용되는 것과 유사하다. 고정수단(70)은 도면과 같이 제2본체(20)에 설치될 수 있고, 이와 달리 제1본체(10)에 설치될 수 있다. 걸림 고리(71)는 일부가 경사진 고리 형태로 구성되고, 제1본체(10) 또는 제2본체(20)에 형성된 걸림 턱(미도시)과 걸림 결합할 수 있다. 레버(72)는 걸림 고리(71)와 연결되어 걸림 고리(71)의 걸림 결합을 형성 및 해제할 수 있다. 고정 브라켓(73)은 제2본체(20) 또는 제1본체(10)에 고정되고, 걸림 고리(71) 및 레버(72)는 고정 브라켓(73)에 회전 가능하게 고정될 수 있다. 걸림 고리(71)를 걸림 턱 근처로 올리면 레버(72)도 같이 올라가며, 이후 레버(72)를 아래로 당기면 걸림 고리(71)와 걸림 턱이 밀착되면서 걸림 결합을 형성한다. 반대로, 레버(72)를 올리면 걸림 결합을 해제할 수 있다.
본 발명에 따른 포집 장치는 우수한 포집 효율을 가질 수 있고, 구체적으로 하기 수학식 1로 표시되는 포집 효율(Ecollection)이 95 내지 100%의 범위 내에 있을 수 있다.
[수학식 1]
Ecollection = [1 - (Nafter/Nbefore)] × 100
상기 수학식 1에서, Nbefore는 포집장치 전단에서의 미생물 농도(#/㎥)를 의미하고, Nafter는 포집장치 후단에서의 미생물 농도(#/㎥)를 의미한다.
특히, 본 발명에 따른 포집 장치는 유량에 관계 없이 포집 효율이 우수하며, 특히 고속의 유량, 구체적으로 100 L/min 내지 200 L/min의 유량에서도 높은 포집 효율(95 내지 100%)을 유지할 수 있다.
또한, 본 발명은 바이오 에어로졸의 분석방법을 제공한다. 본 발명에 따른 분석방법은 바이오 에어로졸 포집 도구를 상술한 포터블 바이오 에어로졸 포집 장치 내 포집 영역에 위치시킨 후, 공기를 유입시켜 바이오 에어로졸을 포집하는 단계; 및 상기 바이오 에어로졸 포집 도구에 포집된 바이오 에어로졸을 분석하는 단계를 포함할 수 있다.
먼저, 포집 단계에서는 필터 기능을 하는 면봉 등의 포집 도구를 미생물 포집 장치의 포집 영역에 삽입하고, 공기 유출구나 연결관에 펌프를 연결한 후 펌프를 가동시키면, 공기가 공기 유입구를 통해 유입된 후 공기 홀을 거쳐 포집 영역으로 흐르며, 포집 영역에서 공기가 포집 도구에 충돌하면서 공기 중의 바이오 에어로졸이 포집 도구에 부착되어 포집된다. 이후, 나머지 공기는 공기 유출구를 통해 빠져 나간다.
다음, 도 4 및 5에 예시된 바와 같이, 포집 도구에 포집된 바이오 에어로졸을 다양하게 분석할 수 있고, 예를 들어 다음과 같이 3가지 분석방법을 수행할 수 있다.
첫째, 용출액을 이용하여 포집 도구로부터 바이오 에어로졸만을 추출한 후, 그 액상 샘플을 이용하여 빛의 강도를 측정함으로써 미생물을 정량화할 수 있다. 용출액(Lysis reagent)은 면봉(Swab) 등에 부착시킨 미생물 등의 생체성분만을 떨어뜨리며, 먼지 등은 포집 도구에 그대로 남는다. 빛의 강도는 상용 아데노신3인산(ATP) 생물발광 키트(Kit)를 이용하여 측정할 수 있다.
둘째, 포집 도구를 액체(탈이온수 등)로 씻어낸 후, 씻어낸 액체를 질량 분석할 수 있다. 질량 분석은 MALDI-TOF(Matrix-Assisted Laser Desorption and Ionization-Time of Flight) 질량분석기기(Mass Spectrometer)를 이용하여 수행할 수 있다.
셋째, 포집 도구를 액체(탈이온수 등)로 씻어낸 후, 씻어낸 액체를 중합효소 연쇄반응(PCR) 분석할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 분석 단계에서 포집 도구를 액체로 씻어낸 후, 씻어낸 액체를, 예를 들면 아가 플레이트(Agar plate)에 도말하여 정량 분석할 수 있고, 상기 아가 플레이트에 도말하여 정량 분석하는 방법은 이 기술분야에서 공지이며, 당업자는 공지된 상기 방법을 제한 없이 이용하여 본 발명에 따른 포집 도구를 씻어낸 액체를 분석할 수 있다.
[실시예 1]
1. 도 3과 같은 포집 장치에 포집 도구로서 면봉을 삽입하였다.
2. 포집 장치 후단에 연결된 펌프를 작동시켜 10 L/min으로 공기를 빨아들여 면봉 위에 미생물을 포집하였다.
3. 펌프의 전원을 off 시킨 후 포집 장치로부터 면봉을 제거하였다.
4. 생물발광 키트에 면봉을 삽입하였다.
5. 면봉과 키트 내 시약의 반응을 위해 충분히 흔들어주었다.
6. 상용 Luminometer(ATP 측정장치)에 키트를 삽입하였다.
7. Luminometer에 의해 상대적인 빛의 강도를 측정하여 미생물 농도를 결정한 후 포집 효율을 구하였고, 포집 효율은 99%이었다.
도 6은 면봉 상에 박테리아 포집 전 SEM 이미지(좌측) 및 면봉 상에 박테리아(Staphylococcus aureus) 포집 후 SEM 이미지(우측)이다.
[실시예 2]
150 L/min로 공기를 빨아들인 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 실시하였으며, 포집 효율은 99%이었다.
10: 제1본체
11: 공기 유입구
12, 22: 음각부
13, 23: 공기 홀
14, 24: 홈
15, 25: 나사 홀
20: 제2본체
21: 공기 유출구
30: 밀봉 수단
40: 나사
50: 포집 도구
51: 포집부
60, 61: 연결관
70: 고정 수단
71: 걸림 고리
72: 레버
73: 고정 브라켓

Claims (20)

  1. 원통형으로 구성되고, 상단으로부터 내부로 수직방향으로 형성된 공기 유입구를 포함하는 제1본체;
    상기 제1본체와 접합되고, 원통형으로 구성되며, 측면으로부터 내부로 수평방향으로 형성된 공기 유출구를 포함하는 제2본체;
    상기 제1본체 및 제2본체가 접합되어 형성되는 포집 영역;
    상기 제1본체 및 제2본체의 접합을 고정시키기 위한 고정 수단;
    포집 영역에 삽입되고 면봉 또는 필터로 구성되는 포집 도구; 및
    공기 유출구와 연결되는 펌프를 포함하며,
    고정 수단은 제1본체 또는 제2본체에 형성된 걸림 턱에 걸림 결합하는 걸림 고리, 상기 걸림 고리의 걸림 결합을 형성 및 해제하는 레버, 및 제1본체 또는 제2본체에 고정되고 걸림 고리와 레버를 회전 가능하게 고정하는 고정 브라켓을 포함하고,
    포집 영역은 상기 제1본체 및 제2본체의 접합면에 각각 형성된 음각부의 접합에 의해 이루어지되, 각 음각부는 포집 도구의 형상과 크기대로 형성되며,
    제1본체는 공기 유입구와 포집 영역을 연결하는 공기 홀을 포함하고, 제2본체는 포집 영역과 공기 유출구를 연결하는 공기 홀을 포함하며,
    제1본체와 제2본체의 각 공기 홀은 중심부에서 수직방향으로 배치되면서 정렬되고,
    제1본체 및 제2본체는 각각 접합면에 형성되는 복수의 원형 홈을 포함하며, 상기 홈에 삽입되고 홈의 형상과 크기대로 형성되는 고무 링 형태의 복수의 밀봉 수단을 포함하며,
    하기 수학식 1로 표시되는 포집 효율(Ecollection)이 95 내지 100%의 범위 내에 있고,
    100 L/min 내지 200 L/min의 고속 유량에서도 포집 효율이 95 내지 100%를 유지하는 는 포터블 바이오 에어로졸 포집 장치:
    [수학식 1]
    Ecollection = [1 - (Nafter/Nbefore)] × 100
    상기 수학식 1에서, Nbefore는 포집장치 전단에서의 미생물 농도(#/㎥)를 의미하고, Nafter는 포집장치 후단에서의 미생물 농도(#/㎥)를 의미한다.
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  14. 바이오 에어로졸 포집 도구를 제1항의 포터블 바이오 에어로졸 포집 장치 내 포집 영역에 위치시킨 후, 공기를 유입시켜 바이오 에어로졸을 포집하는 단계; 및
    상기 바이오 에어로졸 포집 도구에 포집된 바이오 에어로졸을 분석하는 단계를 포함하는 바이오 에어로졸의 분석방법.
  15. 제14항에 있어서,
    공기의 유입은 펌프를 이용하여 수행되는 바이오 에어로졸의 분석방법.
  16. 제14항에 있어서,
    분석 단계에서 용출액을 이용하여 포집 도구로부터 바이오 에어로졸만을 추출한 후, 빛의 강도를 측정하여 미생물을 정량화하는 바이오 에어로졸의 분석방법.
  17. 제16항에 있어서,
    아데노신3인산(ATP) 생물발광 키트를 이용하여 빛의 강도를 측정하는 바이오 에어로졸의 분석방법.
  18. 제14항에 있어서,
    분석 단계에서 포집 도구를 액체로 씻어낸 후, 씻어낸 액체를 질량 분석하는 바이오 에어로졸의 분석방법.
  19. 제18항에 있어서,
    질량 분석은 MALDI-TOF(Matrix-Assisted Laser Desorption and Ionization-Time of Flight) 질량분석기기(Mass Spectrometer)를 이용하여 수행하는 바이오 에어로졸의 분석방법.
  20. 제14항에 있어서,
    분석 단계에서 포집 도구를 액체로 씻어낸 후, 씻어낸 액체를 중합효소 연쇄반응(PCR) 분석하는 바이오 에어로졸의 분석방법.
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