KR101889369B1

KR101889369B1 - 오염된 토양의 중금속 이온 검출 방법 및 시스템

Info

Publication number: KR101889369B1
Application number: KR1020160177404A
Authority: KR
Inventors: 박승경
Original assignee: 한국기술교육대학교 산학협력단
Priority date: 2016-12-23
Filing date: 2016-12-23
Publication date: 2018-08-17
Also published as: KR20180073889A

Abstract

본 발명은 토양 시료를 채취하는 단계; 채취한 시료를 중금속 이온 추출용 산으로 전처리하여 중금속 이온을 추출하는 단계; 마이크로 유체칩의 다수 개의 웰 중 하나에 추출된 중금속 이온을 수용시켜서 검출 반응이 진행되는 단계; 마이크로 유체칩을 모바일 어댑터에 장착하는 단계; 모바일 기기로 마이크로 유체칩의 내용물을 분석하는 단계; 및 모바일 기기에 분석 결과가 디스플레이 되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 오염된 토양의 중금속 이온 검출 방법을 제공하며, 이에 의하면, 시료로부터 중금속 이온을 추출하여 마이크로 유체칩에 주입한 후, 모바일 기기를 사용하여 토양이 중금속 이온에 의해 오염된 정도를 파악할 수 있도록 구성되어, 신속하게 현장에서 즉각적으로 정확한 중금속 검출 데이터를 얻을 수 있다.

Description

오염된 토양의 중금속 이온 검출 방법 및 시스템{A method of detecting heavy metal ions in contaminated soil and a system of the same}

본 발명은 오염된 토양의 중금속 이온 검출 방법 및 시스템에 관한 것으로, 더 상세하게는, 시료로부터 중금속 이온을 추출하여 마이크로 유체칩에 주입한 후, 모바일 기기를 사용하여 토양이 중금속 이온에 의해 오염된 정도를 파악할 수 있도록 구성된 오염된 토양의 중금속 이온 검출 방법 및 시스템에 관한 것이다.

중금속으로 오염된 토양의 처리에 대한 연구는 예전부터 진행되어왔다. 특히, 중금속은 인체에 미치는 영향이 크기 때문에 적절한 처리방법을 적용하여 오염부지를 복원할 필요가 있다. 이에 따라 오염부지의 판별도 중요하며, 이를 위해서 현재는 오염부지로 의심되는 장소에서 토양 시료를 채취하여 연구실에 있는 각종 기구들을 사용하여 함유된 중금속 종류와 양을 분석한다.

이와 같은 전형적인 중금속 이온 검출 방법은 잘 마련되어 있으나, 이는 현장에서 채취한 시료를 대상으로 하여 중금속 이온을 즉각적으로 검출할 수 없다는 점에서 한계가 있다. 전형적인 연구실에서의 이온 검출 방법은, 복잡하고 오래 걸리는 채취된 시료의 전처리 단계를 포함한다. 전처리 단계는 연구실에서 각종 화학물질들로 처리한 후, 그 화학물질들과 충분히 반응하도록 보통 하루 정도의 시간이 필요하다. 이에 따라, 많은 시간뿐만 아니라 인력도 필요하므로, 광범위한 장소에 대해 토양 오염의 정도를 조사할 경우에 이러한 방법은 매우 비효율적이다.

현재 사용되는 검출 방법의 예시로서는 ICP MS(inductively coupled plasma mass spectrometry), HG AAS(hydride generation atomic absorption spectroscopy), 및 AFS(atomic fluorescence spectroscopy)가 있다. 상기 방법들은 정확성, 신뢰도, 및 민감도에 있어 모두 양호한 기능을 가지나, 숙련된 전문가가 요구되며, 분석하는 데에 많은 시간 및 비용이 든다는 단점들이 있다.

최근에는 이러한 단점을 보완하는 방법으로, 크로모제닉 에이전트(chromogenic agent) 기반의 스펙트로포토미터(spectrophotometer)가 개발되었다. 그러나 이러한 방법은 형성된 크로모제닉 콤플렉스(chromogenic complex)에 안정성 문제가 있으며, 지속적인 전력이 요구되므로, 자원, 전문인력 등이 부족한 나라에서 사용되기에는 적합하지 않다.

중금속은 인체에 해로운 영향을 미치는 것으로, 검출 실험을 통해 최대한 빠르게 발견하여 정화 작업을 시작하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 더 즉각적인 검출을 위해 휴대가능한 센서들이 광학적, 화학적 및 생물학적 원리에 기초하여 개발되었다. 그러나, 이러한 센서들은 독성을 갖는 반응성 물질들을 사용하며, 작은 농도의 중금속을 검출할 경우에는 거짓된 결과를 보인다는 문제점들이 있다.

또한, 종래의 검출 방법에 사용되는 장치에 관한 종래기술의 한 예로서는 국내공개특허 제10-2013-0067511호가 있다. 국내공개특허 제10-2013-0067511호는 토양의 중금속분석을 위한 자동 일체형 전처리장치에 관한 것으로, 조작이 간단하여 비숙련자들도 별다른 어려움 없이 쉽게 조작할 수 있는 토양의 중금속분석을 위한 장치를 제공한다.

그러나, 이와 같은 장치는 여전히 시료의 채취에 따른 즉각적인 전처리 작업이 불가능한 것으로, 검출 분석 결과를 얻기 위해서는 여전히 많은 시간이 걸리며, 비효율적이다.

따라서, 현재는 신속하게 현장에서 즉각적으로 정확한 중금속 검출 데이터를 얻을 수 있는 방법 및 시스템이 필요한 실정이다.

KR 10-2013-0067511 A

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 시료로부터 중금속 이온을 추출하여 마이크로 유체칩에 주입한 후, 모바일 기기를 사용하여 토양이 중금속 이온에 의해 오염된 정도를 파악할 수 있도록 구성된 오염된 토양의 중금속 이온 검출 방법 및 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 오염된 토양의 중금속 이온 검출 방법은, 토양 시료를 채취하는 단계; 채취한 시료를 중금속 이온 추출용 산으로 전처리하여 중금속 이온을 추출하는 단계; 마이크로 유체칩의 다수 개의 웰 중 하나에 추출된 중금속 이온을 수용시켜서 검출 반응이 진행되는 단계; 마이크로 유체칩을 모바일 어댑터에 장착하는 단계; 모바일 기기로 마이크로 유체칩의 내용물을 분석하는 단계; 및 모바일 기기에 분석 결과가 디스플레이 되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 다수 개의 웰은 모두 금 나노입자, 앱터머, 및 염이 혼합된 혼합물을 수용하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 염은 계면활성제로서 NaCl이며, 금 나노입자에 대해 NaCl 농도를 결정하는 단계; 및 상기 NaCl 농도에 대해 상기 앱터머의 농도를 결정하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 오염된 토양의 중금속 이온 검출 시스템은, 채취된 시료 및 중금속 이온 추출용 산이 수용되어 상기 채취된 시료 중의 중금속 이온을 추출하는 휴대용 추출기; 중금속 검출용 혼합물을 수용하는 다수 개의 웰을 구비하며 그 중 적어도 어느 하나에 상기 휴대용 추출기로부터 추출된 중금속 이온이 첨가되는 마이크로 유체칩; 상기 마이크로 유체칩이 내부에 장착되는 모바일 어댑터; 상기 모바일 어댑터에 연결되어 고정되는 모바일 기기를 포함하고, 상기 모바일 기기는 상기 중금속 이온이 첨가된 웰에서 일어나는 중금속 이온 반응 결과를 이미지로 캡쳐하여 저장하고, 상기 이미지는 상기 모바일 기기에 설치된 프로그램에 의해 색에 따른 중금속 이온의 농도가 추정되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 중금속 검출용 혼합물은 금 나노입자, 앱터머, 및 염이 혼합된 혼합물인 것이 바람직하다.

또한, 상기 프로그램은, 색에 대응하는 중금속 이온의 농도가 저장된 데이터베이스를 포함하며, 중금속 검출용 혼합물의 색과, 상기 중금속 이온이 첨가된 웰에서 일어나는 중금속 이온 반응 결과가 캡쳐된 이미지상에서의 색을 비교하여 상기 데이터베이스에 기초하여 상기 중금속 이온의 농도를 추정하는 것이 바람직하다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 다른 일 실시예에 따른 오염된 토양의 중금속 이온 검출 시스템은, 채취된 시료 및 중금속 이온 추출용 산이 수용되어 상기 채취된 시료 중의 중금속 이온을 추출하는 휴대용 추출기; 중금속 검출용 혼합물을 수용하는 다수 개의 웰을 구비하며 그 중 적어도 어느 하나에 상기 휴대용 추출기로부터 추출된 중금속 이온이 첨가되는 마이크로 유체칩; 상기 마이크로 유체칩이 내부에 장착되는 모바일 어댑터; 상기 모바일 어댑터에 연결되어 고정되는 모바일 기기를 포함하고, 상기 모바일 기기는 상기 중금속 이온이 첨가된 웰에서 일어나는 중금속 이온 반응 결과를 이미지로 캡쳐하여 저장하고 상기 이미지상의 색에 따른 중금속 이온의 농도를 추정하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 모바일 어댑터는, 상기 모바일 기기와 연결될 수 있도록 형성된 기기 연결부; 상기 기기 연결부로부터 소정의 길이로 연장형성된 몸체부; 및 상기 마이크로 유체칩이 장착되는 유체칩 연결부를 포함하고, 상기 모바일 기기에 의해 상기 이미지가 캡쳐될 시에 외부 빛을 차단하는 것이 바람직하다.

기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 첨부 도면들에 포함되어 있다.

본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의한 오염된 토양의 중금속 이온 검출 방법 및 시스템은, 시료로부터 중금속 이온을 추출하여 마이크로 유체칩에 주입한 수, 모바일 기기를 사용하여 토양이 중금속 이온에 의해 오염된 정도를 파악할 수 있도록 구성되어, 신속하게 현장에서 즉각적으로 정확한 중금속 검출 데이터를 얻을 수 있다.

또한, 24시간 이상이 걸렸던 기존의 검출 방법 및 시스템과 달리, 본 발명에 의하면, 2시간 정도 안에도 정확한 검출 결과를 얻을 수 있어, 광범위한 지역을 조사하는 데에 시간을 단축할 수 있으며, 이에 따라 후속되는 작업으로서 빠른 정화 조치를 취할 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 오염된 토양의 중금속 이온 검출 방법의 주요 구성을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 2는 도 1의 오염된 토양의 중금속 이온 검출 방법 및 시스템을 사용한 중금속 이온 검출 실험의 전체 과정을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 오염된 토양의 중금속 이온 검출 시스템의 휴대용 추출기를 설명하기 위한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 오염된 토양의 중금속 이온 검출 시스템의 마이크로 유체칩을 설명하기 위한 사시도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 오염된 토양의 중금속 이온 검출 시스템의 모바일 어댑터를 설명하기 위한 분해 사시도이다.
도 6a 및 6b는 본 발명의 바람직한 일 실험예에서 토양 실험 중의 납(Pb)의 추출 효율을 설명하기 위한 도표이다.
도 7a 및 7b는 본 발명의 바람직한 일 실험예에서 소정 농도 및 크기의 AuNP(금 나노입자)에 대해 최적화된 NaCl 농도를 결정하는 단계를 설명하기 위한 도면이다.
도 8a 및 8b는 도 7a 및 7b에 도시된 단계에서 결정된 NaCl 농도에 대해 최적화된 앱터머(aptamer) 농도를 결정하는 단계를 설명하기 위한 도면이다.
도 9은 도 7a 내지 도 8b의 단계에서 결정된 최적화된 NaCl 농도와 이에 대해 최적화된 앱터머 농도에 대해 비소(Arsenic)의 농도별 색 변화를 나타낸 도면이다.
도 10는 도 9에 도시된 실험예를 3중으로 수행한 결과를 나타낸 도면이다.
도 11은 서로 다른 농도의 비소를 포함하는 토양 시료들에 대해 본 발명의 바람직한 실험예의 결과로서 비소의 농도별 색을 나타낸 도면이다.
도 12는 바람직한 일 실시예에 따른 오염된 토양의 중금속 이온 검출 방법 중 모바일 기기로 중금속 이온의 농도별 표준이 되는 색을 결정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 도 10에 도시된 3중의 실험 결과에서 비소의 농도별로 변화되는 색에 포함된 시안(cyan) 색깔의 강도(intensity)와 비소의 농도의 상관관계를 나타낸 도표이다.

본 발명을 상세하게 설명하기 전에, 본 명세서에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 무조건 한정하여 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 발명자가 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해서 각종 용어의 개념을 적절하게 정의하여 사용할 수 있고, 더 나아가 이들 용어나 단어는 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 함을 알아야 한다.

즉, 본 명세서에서 사용된 용어는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기 위해서 사용되는 것일 뿐이고, 본 발명의 내용을 구체적으로 한정하려는 의도로 사용된 것이 아니며, 이들 용어는 본 발명의 여러 가지 가능성을 고려하여 정의된 용어임을 알아야 한다.

또한, 본 명세서에 있어서, 단수의 표현은 문맥상 명확하게 다른 의미로 지시하지 않는 이상, 복수의 표현을 포함할 수 있으며, 유사하게 복수로 표현되어 있다고 하더라도 단수의 의미를 포함할 수 있음을 알아야 한다.

본 명세서의 전체에 걸쳐서 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소를 "포함"한다고 기재하는 경우에는, 특별히 반대되는 의미의 기재가 없는 한 임의의 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 임의의 다른 구성 요소를 더 포함할 수도 있다는 것을 의미할 수 있다.

더 나아가서, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 "내부에 존재하거나, 연결되어 설치된다"고 기재한 경우에는, 이 구성 요소가 다른 구성 요소와 직접적으로 연결되어 있거나 접촉하여 설치되어 있을 수 있고, 일정한 거리를 두고 이격되어 설치되어 있을 수도 있으며, 일정한 거리를 두고 이격되어 설치되어 있는 경우에 대해서는 해당 구성 요소를 다른 구성 요소에 고정 내지 연결시키기 위한 제 3의 구성 요소 또는 수단이 존재할 수 있으며, 이 제 3의 구성 요소 또는 수단에 대한 설명은 생략될 수도 있음을 알아야 한다.

반면에, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결"되어 있다거나, 또는 "직접 접속"되어 있다고 기재되는 경우에는, 제 3의 구성 요소 또는 수단이 존재하지 않는 것으로 이해하여야 한다.

마찬가지로, 각 구성 요소 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 " ~ 사이에"와 "바로 ~ 사이에", 또는 " ~ 에 이웃하는"과 " ~ 에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지의 취지를 가지고 있는 것으로 해석되어야 한다.

또한, 본 명세서에 있어서 "일면", "타면", "일측", "타측", "제 1", "제 2" 등의 용어는, 사용된다면, 하나의 구성 요소에 대해서 이 하나의 구성 요소가 다른 구성 요소로부터 명확하게 구별될 수 있도록 하기 위해서 사용되며, 이와 같은 용어에 의해서 해당 구성 요소의 의미가 제한적으로 사용되는 것은 아님을 알아야 한다.

또한, 본 명세서에서 "상", "하", "좌", "우" 등의 위치와 관련된 용어는, 사용된다면, 해당 구성 요소에 대해서 해당 도면에서의 상대적인 위치를 나타내고 있는 것으로 이해하여야 하며, 이들의 위치에 대해서 절대적인 위치를 특정하지 않는 이상은, 이들 위치 관련 용어가 절대적인 위치를 언급하고 있는 것으로 이해하여서는 아니된다.

더욱이, 본 발명의 명세서에서는, "…부", "…기", "모듈", "장치" 등의 용어는, 사용된다면, 하나 이상의 기능이나 동작을 처리할 수 있는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어, 또는 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있음을 알아야 한다.

또한, 본 명세서에서는 각 도면의 각 구성 요소에 대해서 그 도면 부호를 명기함에 있어서, 동일한 구성 요소에 대해서는 이 구성 요소가 비록 다른 도면에 표시되더라도 동일한 도면 부호를 가지고 있도록, 즉 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 지시하고 있다.

본 명세서에 첨부된 도면에서 본 발명을 구성하는 각 구성 요소의 크기, 위치, 결합 관계 등은 본 발명의 사상을 충분히 명확하게 전달할 수 있도록 하기 위해서 또는 설명의 편의를 위해서 일부 과장 또는 축소되거나 생략되어 기술되어 있을 수 있고, 따라서 그 비례나 축척은 엄밀하지 않을 수 있다.

또한, 이하에서, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 구성, 예를 들어, 종래 기술을 포함하는 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략될 수도 있다.

이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명하기로 한다. 그러나 이들 실시예 및 실험예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예 및 실험예에 한정되는 것은 아니다.

본 발명에서 사용되는 모든 기술용어는, 달리 정의되지 않는 이상, 본 발명의 관련 분야에서 통상의 당업자가 일반적으로 이해하는 바와 같은 의미로 사용된다. 또한, 본 명세서에는 바람직한 방법이나 시료가 기재되나, 이와 유사하거나 동등한 것들도 본 발명의 범주에 포함된다.

특히, 본 발명에서 "시료"라 함은, 원시료(original sample) 전체 또는 임의의 부분을 지칭한다.

본 발명의 오염된 토양의 중금속 이온 검출 방법은 더욱 간편하게 이동중에도 휴대용 추출기와 모바일 기기만으로도 토양의 시료 내에 있는 중금속 이온을 검출할 수 있도록 구성된 것으로, 토양에 포함된 중금속 이온을 추출하기 위해서 이온 추출용 산이 사용되고, 중금속 이온을 검출하기 위해서 이온 검출용 금 나노입자, 앱터머, 및 염이 사용된다.

시료는 토양 시료로서 다양한 지역으로부터 수집될 수 있으며, 하나 이상의 시료준비절차 및 분석절차를 통해 시료 내의 중금속 이온의 검출 방법이 진행될 수 있다.

도 1 및 2를 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시에에 따른 오염된 토양의 중금속 이온 검출 방법 및 시스템을 설명한다. 도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 오염된 토양의 중금속 이온 검출 방법의 주요 구성을 설명하기 위한 흐름도이다. 도 2는 도 1의 오염된 토양의 중금속 이온 검출 방법 및 시스템을 사용한 중금속 이온 검출 실험의 전체 과정을 나타내는 도면이다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 오염된 토양의 중금속 이온 검출 방법은 도 1에 도시된 바와 같이, 토양 시료를 채취하는 단계(S100), 채취한 시료를 전처리하고 중금속 이온 추출용 산으로 중금속 이온을 추출하는 단계(S200), 마이크로 유체칩의 다수 개의 웰 중 하나에 추출된 중금속 이온을 수용시켜서 검출 반응이 진행되는 단계(S300), 마이크로 유체칩을 모바일 어댑터에 장착하는 단계(S400), 모바일 기기로 마이크로 유체칩의 내용물을 분석하는 단계(S500), 및 모바일 기기에 분석 결과가 디스플레이 되는 단계(S600)를 포함한다.

시료 채취 단계(S100)에서 시료는 소정의 크기의 휴대용 추출기(100)(도 2 참조)에 수용된다. 여기서 시료는 미리 정해진 지역의 토양인 것이 바람직하다. 이때 토양은 수직으로나 수평적으로 균일하지 않으므로, 채취한 시료가 대상 지역의 토양을 대표해야 한다는 점에서 주의가 필요하다. 시료 채취 방법은 통상적으로 사용되는 토양 시료 채취 방법으로서 상세한 설명은 생략한다.

시료 전처리 및 중금속 이온 추출 단계(S200)에서는 채취한 토양 시료 중 유기물이 천천히 산화되면서 중금속 이온이 용출될 수 있도록 시료가 용출 시약과 섞인다. 이때 사용되는 산은 검출하고자 하는 중금속 이온에 따라 결정하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 비소를 검출하고자 할 경우에는, HCl(염화수소)을 용출액으로 하여 비소 이온을 추출하는 것이 바람직하다.

중금속 이온은 Pb(납), Hg(수은), 및 As(비소)외에도, Cd(카드뮴), Cu(구리), Zn(아연), Ni(니켈) 중 어느 하나일 수 있다. 각각의 중금속에 대해서는 서로 다른 산, 또는 산의 조합 등이 사용될 수 있다. 각각의 중금속을 산으로 추출할 경우, 그 추출 효율을 80% 이상으로 최적화된 조건들을 실험들을 통해 결정하는 것이 바람직하다.

마이크로 유체칩(200)(도 2 참조)에서 중금속 이온 검출 반응이 이루어지는 단계(S300)에서는 추출된 중금속 이온을 마이크로 유체칩(200)에 넣어 방치시킨다. 여기서 마이크로 유체칩(200)은 다수 개의 웰이 형성된 플레이트로서, 각각의 웰에는 중금속 결합 앱터머, AuNP, 및 계면활성제가 미리 정해진 비율로 섞인 검출용 혼합물이 수용된다.

검출용 혼합물에 중금속 이온이 첨가됨으로써 첨가된 웰의 내용물의 색은 변하게 된다. 더 이상 색이 변하지 않을 때까지 방치하는 것이 바람직하며, 방치 시간은 어느 중금속 이온이 검출 대상인지, 그리고 어떤 산이 사용되었는지 등에 따라 달라질 수 있다.

마이크로 유체칩(200)을 모바일 어댑터(300)(도 2 참조)에 장착하는 단계(S400)에서 마이크로 유체칩(200)은 모바일 어댑터(300)의 하부 일부에 마이크로 유체칩(200)이 수용될 수 있는 공간에 장착된다. 마이크로 유체칩(200)이 장착됨으로써 그 위치는 모바일 어댑터(300) 내에 고정된다. 이렇게 모바일 어댑터(300)에 마이크로 유체칩(200)이 장착되면, 모바일 어댑터(300)는 모바일 기기(400)와 연결된다.

모바일 기기(400)(도 2 참조)로 마이크로 유체칩(200) 내용물 분석 단계(S500)에서, 모바일 기기(400)는 카메라를 포함하도록 구성된 것으로, 마이크로 유체칩(200)의 다수 개의 웰을 이미지로 캡쳐하여 저장한다.

예를 들면, 모바일 기기(400)는 스마트 폰으로서, 모바일 어댑터(300)는 이에 고정될 수 있도록 형성되고, 스마트 폰이 모바일 어댑터(300)에 고정된 상태로 안정적으로 마이크로 유체칩(200)의 사진이 찍힐 수 있다.

이때, 모바일 어댑터(300)에서 마이크로 유체칩(200)은 매번 카메라로부터 일정한 거리로 이격되어 위치됨으로써, 카메라의 초점, 조명, 밝기, 등에 따른 색상의 차이의 변수는 실험에서 제외될 수 있다. 모바일 어댑터(300), 마이크로 유체칩(200) 및 모바일 기기(400)의 결합 구조에 의해 용이하게 일정하고 정확한 검출 실험 결과를 얻을 수 있다.

모바일 기기(400)는 또한 색상 감지 및 분석용 프로그램을 구동시킬 수 있도록 구성된 것이 바람직하다. 색상 감지 및 분석용 프로그램은 모바일 기기(400)로 찍힌 마이크로 유체칩(200)의 이미지상에서 각각의 웰의 색상을 감지, 저장, 및 수치화할 수 있도록 감지 유닛, 저장 유닛, 및 수치화 유닛을 포함하도록 구성된 것이 바람직하다.

또한, 프로그램은 중금속 이온의 농도에 대응하는 색상에 대한 정보가 저장된 데이터베이스를 포함하는 것이 바람직하다. 이러한 데이터베이스는 프로그램 자체에 저장된 정보일 수 있으며, 또는 별도의 서버상에 저장되어 실시간으로 업데이트 가능하면서 인터넷을 통해 접근할 수 있도록 구성된 것일 수 있다. 마이크로 유체칩(200)의 이미지상에서 각각의 웰의 색상은 상기와 같은 프로그램에 의해 분석되는 것이 바람직하다.

모바일 기기(400)에 분석 결과가 디스플레이되는 단계(S600)에서, 상기 모바일 기기(400)로 마이크로 유체칩 내용물 분석 단계(S500)에서 분석된 결과가 모바일 기기(400)의 스크린 상에 디스플레이 된다. 디스플레이 되는 방법에 있어서, 어느 한 가지로 한정되지 않는다. 내용물 분석 결과로서, 토양에서 검출된 중금속 이온의 종류 및 농도가 포함되고, 농도는 내용물 색깔과 함께 수치로 표시될 수 있다. 여러 횟수의 검출 실험의 결과는 누적되어 저장될 수 있으며, 이의 평균수치 등이 계산되어 추가적으로 모바일 기기(400)의 화면상에 표시될 수도 있다. 모바일 기기(400)가 스마트 폰일 경우에, 추가적으로 검출된 중금속 이온에 대한 더 상세한 내용을 확인하기 위해 스크린을 터치하여 정보 확인 메뉴를 선택할 수 있도록 화면이 구성될 수 있다.

도 2를 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 오염된 토양의 중금속 이온 검출 시스템을 더 상세하게 설명한다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 오염된 토양의 중금속 이온 검출 시스템은 도 2에 도시된 바와 같이, 시료를 채취하여 휴대용 추출기(100)에 넣고, 휴대용 추출기(100)에는 중금속 이온을 추출하기 위한 추출용 산이 미리 수용되어 있어 시료가 전처리 되면서 중금속 이온이 추출되고, 휴대용 추출기(100)로부터 추출된 중금속 이온을 마이크로 유체칩(200)의 다수의 웰 중 하나에 넣고, 마이크로 유체칩(200)을 모바일 어댑터(300)에 연결하고, 모바일 어댑터(300)를 모바일 기기(400)에 연결시켜 모바일 기기로 마이크로 유체칩(200) 상의 중금속 이온 반응 결과를 분석하여 그 결과를 모바일 기기상에 디스플레이하도록 구성된다.

도 3 내지 도 5를 더 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 오염된 토양의 중금속 이온 추출 시스템의 구성요소들을 더 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 오염된 토양의 중금속 이온 검출 시스템의 휴대용 추출기(100)를 설명하기 위한 사시도이다. 도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 오염된 토양의 중금속 이온 검출 시스템의 마이크로 유체칩(200)을 설명하기 위한 사시도이다. 도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 오염된 토양의 중금속 이온 검출 시스템의 모바일 어댑터(300)를 설명하기 위한 분해 사시도이다.

먼저, 휴대용 추출기(100)는 상술된 시료 채취 단계(S100)에서 채취된 토양 시료를 수용하고, 푸셔부(110), 수용부(120), 및 주입부(130)를 포함하여 푸셔부(110)가 가압됨에 따라 수용부(120)에 수용된 토양 시료 중의 중금속 이온이 추출되면서 주입부(130)를 통해 외부로 배출된다. 푸셔부(110)의 일단부는 수용부(120) 내에 위치되며, 일단부에는 수용부(120) 내측 단면에 대응되는 면적을 갖도록 형성된 플레이트가 구성된 것이 바람직하며, 타단부는 사용자가 용이하게 가압하거나 당길 수 있도록 형성된 손잡이가 구성된 것이 바람직하다.

수용부(120)는 토양 시료를 수용할 뿐만 아니라, 토양 시료 중의 중금속 이온을 추출하기 위해 사용될 수 있는 추출용 산도 수용할 수 있다. 수용부(120)는 수용부 상부(121), 필터부(122) 및 수용부 하부(123)를 포함할 수 있으며, 각각의 수용부 상부(121) 및 수용부 하부(123)에는 서로 다른 내용물이 수용될 수 있다. 수용부(120)가 상하로 흔들어질 경우, 수용부 하부(123)에 있는 내용물이 필터부(122)를 통과하여 수용부 상부(121)에 있는 내용물과 섞일 수 있다.

충분히 섞인 후, 푸셔부(110)가 가압됨에 따라 수용부 상부(121)에 수용된 내용물 일부가 필터부(122)를 통과하여 수용부 하부(123)에 수용된 후, 주입부(130)를 통해 배출될 수 있다. 주입부(130)에는 주입부(130)를 폐쇄하는 마개(미도시)가 더 구비될 수 있으며, 다른 일 실시예에서 주입부(130)에는 주입부(130)의 개폐동작을 조절할 수 있는 밸브와 같은 구성이 구비될 수도 있다.

수용부 상부(121)에 수용되는 내용물은 토양 시료인 것이 바람직하며, 수용부 하부(123)에 수용되는 내용물은 토양 시료 중의 중금속 이온을 추출할 수 있는 추출용 산인 것이 바람직하다.

마이크로 유체칩(200)은 도 4에 도시된 바와 같이, 고분자 플레이트(210), 고분자 플레이트(220)에 연결된 중간 플레이트(220), 및 중간 플레이트(220)에 연결된 지지 플레이트(230)를 포함하는 것이 바람직하다. 고분자 플레이트(220)는 다수 개의 웰이 구비되도록 형성된 것으로, PDMS(polydimethylsiloxane)으로 형성될 수 있다. 고분자 플레이트(220)를 형성하는 방법으로 예를 들면, 모노머와 경화제를 1:10 비율로 하여 혼합하고, 진공 상태에서 기포를 제거한 후 틀이 마련된 중간 플레이트(220)상에 부어서 모양을 굳힐 수 있다. 이때 중간 플레이트(220)는 유리 재질인 것이 바람직하며, 틀은 단순히 중간 플레이트(220) 테두리에 부착한 테이프와 같은 부재일 수 있다.

고분자 플레이트(220)가 중간 플레이트(220) 상에서 굳혀진 후, 다수 개의 웰이 구비되도록 고분자 플레이트(220)를 통공하는 것이 바람직하다. 본 발명의 바람직한 일 실시예에서는 적어도 두 개의 웰, 제1 웰(211) 및 제2 웰(212)이 설명되나, 웰의 개수는 어느 개수로 한정되지 않는다. 각각의 웰의 직경은 8mm인 것이 바람직하다.

고분자 플레이트(220)가 통공된 후 중간 플레이트(220)의 일 측에 접착되어 고정되는 것이 바람직하며, 중간 플레이트(220)의 타 측에는 지지 플레이트(230)가 연결되는 것이 바람직하다. 여기서 지지 플레이트(230)는 스티로폼 테이프인 것이 바람직하며, 지지 플레이트(230)가 중간 플레이트(220) 및 고분자 플레이트(220)와 연결됨으로써 내구성이 향상되면서 외부 충격을 더 양호하게 흡수할 수 있게 된다.

이와 같은 마이크로 유체칩(200)의 제1 웰(211) 및 제2 웰(212)은 모두 앱터머, AuNP, 및 계면활성제를 수용하는 것이 바람직하다. 제1 웰(211) 및 제2 웰(212) 중 하나는 통제 샘플(control sample)로 사용하고 다른 하나는 주입부(130)로부터 배출되는 중금속 이온과 혼합되어 반응을 관찰하는 데에 사용할 수 있다. 이에 따라 마이크로 유체칩(200)에 의해 중금속 이온의 유무에 따른 색깔 차이가 확실하게 비교될 수 있다.

이와 같은 마이크로 유체칩(200)의 정확한 검출 반응의 관찰을 위해, 마이크로 유체칩(200)은 모바일 어댑터(300)에 장착되어 모바일 기기(400)를 사용하여 분석된다. 모바일 어댑터(300)는 도 5에 도시된 바와 같이, 모바일 기기(400)와 연결될 수 있도록 형성된 기기 연결부(310), 기기 연결부(310)로부터 연장형성된 몸체부(320), 및 마이크로 유체칩(200)이 장착되는 유체칩 연결부(330)를 포함한다.

기기 연결부(310)는 모바일 기기(400)의 상측을 지지하는 상부 지지부(311)와 모바일 기기(400)의 하측을 지지하는 하부 지지부(312)를 구비하여 모바일 기기(400)가 상부 지지부(311) 및 하부 지지부(312) 사이에 삽입되어 고정될 수 있도록 형성된 것이 바람직하다. 기기 연결부(310)는 사용되는 모바일 기기(400)의 크기에 맞게 제작될 수 있으며, 다른 일 실시예에서 기기 연결부(310)는 모바일 기기(400)의 크기에 따라 다양하게 변형되어 모바일 기기(400)를 파지함으로써 고정할 수 있도록 구성도리 수도 있다.

몸체부(320)는 기기 연결부(310)로부터 하방 연장형성된 것으로, 실질적으로 모바일 기기(400)로 마이크로 유체칩(200)의 사진을 매번 일정한 조도 및 채도로 찍을 수 있도록 소형 암실 역할을 하는 통로이다. 몸체부(320)는 하측에 유체칩 연결부(330)가 몸체부(320)와 용이하게 연결될 수 있도록 형성된 슬라이딩 홈(321)을 포함할 수 있으며, 외부 빛을 차단하는 벽을 형성하는 차단부(322)를 포함하고, 이러한 차단부(322)에 의해 형성된 내부 공간을 구비한 것이 바람직하다.

몸체부(320)는 모바일 기기(400)의 카메라의 성능에 따라 소정의 길이를 갖도록 제작되는 것이 바람직하며, 다른 일 실시예에서 몸체부(320)는 그 길이가 변형 가능하면서 바람직한 길이로 고정이 가능하도록 형성될 수도 있다.

유체칩 연결부(330)는 슬라이딩 홈(321)과 슬라이딩되어 결합되는 슬라이딩 레일(331)을 포함할 수 있으며, 모바일 어댑터(300)의 하측을 형성하는 바닥부(332), 및 바닥부(332) 상에 마일크로 유체칩(200)이 장착될 수 있도록 형성된 유체칩 수용홈(333)을 포함하는 것이 바람직하다. 유체칩 연결부(330)와 몸체부(320)가 연결되는 방식에 있어서, 슬라이딩 홈(321) 및 슬라이딩 레일(331)의 결합 외에도 다른 변형예도 가능하며, 어느 한 결합수단으로 한정하지 않는다.

모바일 기기(400)는 스마트 폰인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않으며, 휴대할 수 있고, 카메라가 구비되고, 검출 실험 결과를 표시할 수 있는 수단이 구비된 어느 한 기기일 수 있다. 다른 일 실시예에서는 이러한 모바일 기기(400)는 중금속 이온 검출 전용 기기로 제작되어 모바일 어댑터(300)와 일체형으로 형성될 수도 있다.

모바일 기기(400)에는 사진상의 색깔을 감지하여 색을 중금속 이온의 농도와 대응시킬 수 있는 프로그램이 설치된 것이 바람직하다. 이러한 프로그램은 미리 구축된 특정 색에 대응되는 특정 중금속 이온의 농도에 대한 데이터가 저장된 데이터베이스를 포함하는 것이 바람직하다. 이러한 데이터베이스를 기반으로 모바일 기기(400)에 설치된 프로그램은 사진상의 색을 감지하여 특정 중금속 이온의 농도로 변환할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 휴대용 추출기(100)에 의해 중금속 이온을 추출하여 마이크로 유체칩(200) 상의 다수의 웰 중 어느 하나에 중금속 이온을 주입할 수 있으며, 마이크로 유체칩(200)은 모바일 어댑터(300)에 장착되고 모바일 어댑터(300)에 연결된 모바일 기기(400)에 의해 마이크로 유체칩(200)의 사진을 찍을 수 있고, 모바일 기기(400)에 설치된 프로그램에 의해 웰의 색을 감지하여 색에 대한 데이터가 입력됨에 따라 중금속 이온의 농도를 추정하여 출력할 수 있다.

< 실시예 1> 시료의 준비

토양 시료로서는 두 종류를 구매하여 실험에 사용하였으며, 각각 CRM 109-03-002(Korea Research Institute of Standards and Science, KRISS, South Korea) 및 BAM-U112a(Odlab, South Korea)였다. 이와 같은 기준 토양 시료에 포함된 중금속 이온의 농도를 선택적으로 정리하여 나타낸 것은 다음의 표 1 내용과 같다.

각각의 중금속 Hg, Pb, 및 As는 mg/kg 단위로 표시되었다. 다른 종류의 중금속들도 많지만, 본 실험에서는 Hg, Pb, 및 As를 대표적인 중금속으로 하여 실험하였다.

< 실시예 2> 중금속 이온의 추출 방법 및 분석

실험에 사용된 기준 토양 시료(CRM 109-03-002 및 BAM-U122a)로부터 중금속(Hg, Pb, 및 As)의 이온을 추출하였고, ICP-OES 분석법(inductively coupled plasma optical emission spectrometry) 및 수은 분석기를 사용하여 분석되었다.

모든 실험 시료는 분석 이전에 여과지(F1001, Chmlab)을 사용하여 여과하였다.

이온 추출을 위한 산으로서는 EP grade EDTA(Ethylenediaminetetraacetic acid), HCl(Hydrochloric acid), 및 HNO₃(Nitric acid)을 구매(Daejung, South Korea)하여 사용하였다. 실험에 사용된 정제수는 Pure Power System(Human corp., South Korea)에 의해 정제된 18MΩcm DI 수(水)였다.

EDTA을 사용하여 중금속 이온을 추출할 시에, 1~4g의 토양 시료를 0.05M EDTA 40ml와 원심분리관에 넣어 혼합하였고 튜브 쉐이커(Finepcr, South Korea)를 사용하여 0.5~3시간 동안 균질화하였다. 추출 후, 시료는 여과지로 여과되고 포집되었다.

HNO₃을 사용하여 중금속 이온을 추출할 시에, 5~200mg의 토양 시료를 5~50ml의 10% 및 50% HNO₃과 원심분리관에 넣어 혼합하였고 35℃에서 30분 동안 음파처리하였다(Hwashin, South Korea). 추출 후, 시료는 DI 수로 희석되고 여과지로 여과되고 포집되었다.

HCl을 사용하여 중금속 이온을 추출할 시에, 200mg의 토양 시료를 10~40ml의 1.7%~10%의 서로 다른 농도의 HCl과 원심분리관에 넣어 혼합하였고, 상기 튜브 쉐이커를 사용하여 0.5~12시간 동안 균질화하였다. 필요에 따라 60℃에서 0.5~2시간 동안 음파처리가 되었다. 추출 후, 시료는 DI 수로 희석되고 여과지로 여과되고 포집되었다.

< 실험예 1> 토양 시료의 중금속 이온 추출

Pb(납), Hg(수은), 및 As(비소)의 이온을 EDTA, HNO₃,및 HCl을 사용하여 추출하였다. 추출 효율은 하기 표에 나타난 바와 같다. 세 가지 중금속 이온(Pb, Hg, 및 As)에 대해 EDTA를 사용하여 추출 실험을 수행하였다. 특히 Pb에 있어서, 모든 산에 의해 추출이 가능하였으나, Hg 및 As는 각각 HNO₃ 및 HCl만으로 추출되었다.

상기 표 2에 나타난 바와 같이, KRISS-CRM 및 BAM-U112a 토양에서 Pb를 추출하기 위해 0.05M의 EDTA를 사용한 결과, BAM-U112a의 경우에는 통상의 방치 시간보다 상대적으로 짧은 시간에 70% 이상의 추출 효율을 나타냈다. 반면에, KRISS-CRM 토양에서 Pb를 추출하기 위해 0.05M의 EDTA를 사용한 결과, 그 효율은 현저하게 떨어졌다.

이에 대해 추출 효율에 영향을 미치는 변수에 대해 실험을 하여, 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같은 도표로 결과를 정리하였다. 도 6a 및 6b는 본 발명의 바람직한 일 실험예에서 토양 실험 중의 납의 추출 효율을 설명하기 위한 도표이다.

방치시간을 2시간으로 늘렸을 경우에 추출 효율이 증가한 것이 관찰되었고, 토양의 양을 2g으로 하였을 때에 추출 효율이 증가한 것으로 관찰되었다. 즉, 방치 시간 및 토양의 양에 따라서도 추출 효율이 달라질 수 있다.

KRISS-CRM 및 BAM-U112a 토양은 모두 일반적인 토양공정시험법 중 중금속 이온을 용출하는 표준 추출 방법에 의한 추출 효율이 80% 이상인 것으로 나타났다. 중금속 이온의 검출 프로토콜은 각각의 산에 대해서 경험적인 실험들을 통하여 80%이상의 추출 효율을 갖는 것을 기준으로 하여 최적화하였다. 중금속 이온 중 비소의 검출 프로토콜은 하술하는 실시예 3에서 더 상세하게 설명한다.

< 실시예 3> 검출에 사용된 재료 및 비소 검출 프로토콜

비소 결합 앱터머

비소 결합 앱터머(ARS-3)(5'GGTAATACGACTCACTATAGGGAGATACCAGCTTATTCAATT TTACAGAACAACCAACGTCGCTCCGGGTACTTCTTCATCGAGATAGTAAGCAATCT-3)는 Bioneer Co. Ltd. (Daejeon, Korea)에 의하여 PAGE(polyacrylamide gel electrophoresis)로 합성 및 정화되었다.

앱터머를 녹이기 위해 Sigma-Aldrich로부터 구매한 HEPES buffer(50mM, pH 7.2)이 사용되었다.

금 나노입자

본 실험에 사용된 단분산 구연산염으로 표면처리된 금 나노입자(monodisperse citrate capped gold nanoparticle)는 크기가 15nm인 것으로, Nonopartz Inc.(Loveland, Colorado)로부터 얻었다. 금 나노입자(AuNP)의 콜로이드 농도는 λ_520nm에서3.74× 10⁸M/cm이었다.

계면활성제

계면활성제로는 Merck(Darmstadt, Germany)로부터 주문한 NaCl(Sodium chloride)을 사용하였다.

비소 용액

표준 비소 용액(1mg mL^-1, 1000ppm)을 Kanto chemical Co., Inc.(Korea)로부터 구매하여 사용하였다.

비소 검출 프로토콜

먼저, 동결건조된 ARS-3 앱터머를 HEPES buffer(50mM, pH7.2)에 녹여 100um의 저장 용액(stock)으로부터 앨리쿼트(aliquot)를 생성한다. 앨리쿼트(100nM)는 생성되고 90℃에서 5~10분 동안 방치되었다. 방치 후, 앱터머 용액을 실온에서 식히도록 하였다. 앱터머 혼합물은 0.5ppm~40ppm의 범위의 서로 다른 농도의 비소를 앱터머와 혼합하므로 준비하였다.

이러한 혼합물은 PDMS(polydimethylsiloxane)으로 형성된 유리 슬라이드에 있는 웰(well)로 옮겨졌다. 이후에 35ul의 금 나노입자 콜로이드가 각각의 웰에 첨가되어 실온에서 10분 동안 방치되었다.

마지막으로, 10ul의 계면활성제, 예를 들면 NaCl(0.3M)이 상기 혼합물에 첨가되었다. 이에 따른 색 변화는 눈으로 관찰되었다. 이러한 색 변화는 적절한 환경조건에서 사용될 수 있는 모바일 기기 중 하나인 스마트폰으로 사진을 찍어 기록하였다.

사진으로 기록된 이러한 색 변화는 도 11에 도시된 바와 같이, 컴퓨터에 있는 이미지 편집 소프트웨어, 예를 들면 포토샵(Adobe Photoshop)을 사용하여 CMYK 8-bit scale 포멧으로 변환하였다. 도 11은 바람직한 일 실시예에 따른 오염된 토양의 중금속 이온 검출 방법 중 모바일 기기로 중금속 이온의 농도별 표준이 되는 색을 결정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.

먼저 사진을 스마트폰으로부터 컴퓨터로 옮긴 후에, 각각의 웰에 대해 rectangular marquee tool을 사용하여 웰에 수용된 혼합물의 적절한 면적을 선택하였다. 이와 같은 선택된 면적에 대해 CMYK 포멧에 있는 시안 색(cyan color) 채널의 평균 예상 강도를 구하였다.

특히, 시안 색은 다른 색보다 비소의 농도와의 상관관계가 가장 뚜렷하게 나타났다. 비소의 농도(ppm)(Sample)별 색 변화를 관찰 및 기록하기 위해 3중으로 실험한 결과, 사진상에서 동일한 크기의 면적(pixels)(Area)의 시안 강도(Cyan1, Cyan2, Cyan3)를 얻을 수 있었으며, 이를 표로 정리하면 다음의 표 3과 같다. 색 변화 관찰을 위한 3중 실험은 후술하는 실험예 2에서 더 상세하게 설명한다. 바탕 보정 데이터(background corrected data)(BC.Std)는 비소가 첨가되지 않은 혼합물의 평균 시안 강도 값을 비소가 첨가된 혼합물의 평균 시안 강도 값으로부터 빼서 얻었다.

바탕 보정 데이터는 도 13에 도시된 바와 같이 비소의 농도(ppm)와 비례한다. 도 13은 3중의 실험 결과에서 비소의 농도별로 변화되는 색에 포함된 시안 색깔의 강도와 비소의 농도의 상관관계를 나타낸 도표이다. 시안 색깔의 강도와 비소의 농도에 대한 회기분석 결정계수(regression fitting value)는 0.9824인 것으로 나타났다.

이와 같은 비소의 농도별로 관찰된 색 변화를 분석하여 이미지 및 수치 데이터로 저장함으로써, 앱터머, 금 나노입자, NaCl 및 비소가 혼합된 혼합물에서 시안 색깔의 강도을 분석하는 것만으로도 혼합물에 포함된 비소의 농도를 추정할 수 있다.

< 실험예 2> 비소의 농도별 색 변화

실험예 2을 설명하기 위해 도 7a 내지 10을 참조한다.

도 7a 및 7b는 본 발명의 바람직한 일 실험예에서 소정 농도 및 크기의 AuNP에 대해 최적화된 NaCl 농도를 결정하는 단계를 설명하기 위한 도면이다.

금 나노입자의 완전한 응집을 위한 염으로써 NaCl가 사용되었다. AuNP의 완전한 응집에 필요한 최적화된 NaCl의 농도를 결정하기 위해, AuNP가 수용된 다수 개의 관에 NaCl의 농도를 0.05, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 및 1M로 각각 다르게 첨가하여 색깔 변화를 관찰하였다. 도 7a는 NaCl의 첨가 전이며, 도 7b는 NaCl의 첨가 후 모습을 나타낸 것이다. 본 실험에서는 NaCl의 최적화된 농도를, 더 높은 농도의 첨가에도 색 변화가 크게 안 일어나는 농도인 0.3M로 결정하였다.

NaCl의 최적 농도를 0.3M로 결정한 후, 이에 대한 비소 앱터머의 최적화된 농도를 결정하였다. 도 8a 및 8b는 도 7a 및 7b에 도시된 단계에서 결정된 NaCl 농도에 대해 최적화된 비소 결합 앱터머 농도를 결정하는 단계를 설명하기 위한 도면이다.

비소 결합 앱터머는 비소와 결합되지 않은 상태인 경우에 AuNP를 안정화시킴으로써 응집을 방지하는 역할을 한다. 비소의 첨가에 따른 가장 확연한 색 변화를 관찰할 수 있기 위한 비소 결합 앱터머의 농도를 결정하기 위해, AuNP 및 0.3M의 NaCl이 수용된 다수 개의 관에 비소 결합 앱터머의 농도를 0, 10, 20, 50, 100, 200, 및 300nM로 각각 다르게 첨가하여 색깔 변화를 관찰하였다. 도 8a는 비소 결합 앱터머의 첨가 전이며, 도 8b는 비소 결합 앱터머의 첨가 후 모습을 나타낸 것이다. 본 실험에서는 비소 결합 앱터머의 최적화된 농도를, 더 높은 농도의 첨가에도 색 변화가 크게 안 일어나는 농도인 100nM로 결정하였다.

다음으로는 최적화된 NaCl, 비소 결합 앱터머, 및 AuNP의 혼합물에 있어서 비소의 첨가에 따른 색 변화를 관찰하여 최소검출한계(limit of detection, LOD)를결정하였다. 상기 혼합물이 수용된 다수 개의 관에 비소의 농도를 0, 0.5, 2, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 및 40ppm으로 각각 다르게 첨가하여 색깔 변화를 관찰하였다. 도 9는 이전 단계들에서 결정된 최적화된 NaCl 농도와 이에 대해 최적화된 앱터머 농도에 대한 비소의 농도별 색 변화를 나타낸 도면이다. 다수 번의 실험을 통해 비소의 농도의 검출한계의 상한선은 30ppm로 정하였고, 하한선은 2ppm로 결정하였다.

이와 같은 비소를 첨가하여 색 변화를 관찰하는 단계는 3중으로 수행하였다. 이에 대한 결과는 도 10에 도시되어 있다. 도 10은 도 9에 도시된 실험예를 3중으로 수행한 결과를 나타낸 도면이다. AuNP의 응집이 많이 될수록 붉은색에서 회색으로 색이 변하는 것을 관찰하였다.

마지막으로 비소의 농도가 0, 0.5, 2, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 및 40일 경우별 혼합물이 띠게 되는 색깔을 이미지 편집 소프트웨어인 포토샵을 통해 정확하게 분석하여 시안 색깔 및 마젠타 색깔의 강도 값으로 수치 데이터를 정리하였다(도 12 참조).

< 실험예 3> 토양 시료 내의 비소 농도별 색 변화

서로 다른 비소 농도를 갖는 토양 시료를 대상으로 토양 시료로부터 추출된 중금속 이온을 AuNP, NaCl, 및 비소 결합 앱터머의 혼합물에 첨가함에 따른 색 변화를 관찰하였다. 도 11은 서로 다른 농도의 비소를 포함하는 토양 시료들에 대해 본 발명의 바람직한 실험예의 결과로서 비소의 농도별 색을 나타낸 도면이다.

토양 시료로부터 중금속 이온을 추출하기 위해 토양 시료를 Ammonium acetate(CH₃COONH₄)에 넣어 NaOH(pH7.2)로 고정하여 실험한 결과가 도 11에 나타나 있다. 도 11에 도시된 바와 같이, 토양 시료에 비소가 0, 2, 및 30ppm의 농도로 포함되어 있을 경우의 색 차이를 관찰하였다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들 및 실험예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

100: 휴대용 추출기
110: 푸셔부
120: 수용부
121: 수용부 상부
122: 필터부
123: 수용부 하부
130: 주입부
200: 마이크로 유체칩
210: 고분자 플레이트
211: 제1 웰
212: 제2 웰
220: 중간 플레이트
230: 지지 플레이트
300: 모바일 어댑터
310: 기기 연결부
311: 상부 지지부
312: 하부 지지부
320: 몸체부
321: 슬라이딩 홈
322: 차단부
323: 내부 공간
330: 유체칩 연결부
331: 슬라이딩 레일
332: 바닥부
333: 유체칩 수용홈
400: 모바일 기기

Claims

(a) 토양 시료를 채취하는 단계;
(b) 채취한 시료를 중금속 이온 추출용 산으로 전처리하여 중금속 이온을 추출하는 단계;
(c) 마이크로 유체칩의 다수 개의 웰 중 하나에 추출된 중금속 이온을 수용시켜서 검출 반응이 진행되는 단계;
(d) 상기 마이크로 유체칩을 모바일 어댑터에 장착하는 단계;
(e) 모바일 기기로 상기 마이크로 유체칩의 내용물을 분석하는 단계; 및
(f) 상기 모바일 기기에 분석 결과가 디스플레이 되는 단계를 포함하고,
상기 (c) 단계에서,
상기 다수 개의 웰은 모두 금 나노입자, 앱터머, 및 염이 혼합된 혼합물을 수용하는 것을 특징으로 하는,
오염된 토양의 중금속 이온 검출 방법.
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제 1 항에 있어서,
상기 염은 계면활성제로서 NaCl이며,
상기 (c) 단계는,
(c1) 금 나노입자에 대해 NaCl 농도를 결정하는 단계; 및
(c2) 상기 NaCl 농도에 대해 상기 앱터머의 농도를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는,
오염된 토양의 중금속 이온 검출 방법.
채취된 시료 및 중금속 이온 추출용 산이 수용되어 상기 채취된 시료 중의 중금속 이온을 추출하는 휴대용 추출기;
중금속 검출용 혼합물을 수용하는 다수 개의 웰을 구비하며 그 중 적어도 어느 하나에 상기 휴대용 추출기로부터 추출된 중금속 이온이 첨가되는 마이크로 유체칩;
상기 마이크로 유체칩이 내부에 장착되는 모바일 어댑터;
상기 모바일 어댑터에 연결되어 고정되는 모바일 기기를 포함하고,
상기 모바일 기기는 상기 중금속 이온이 첨가된 웰에서 일어나는 중금속 이온 반응 결과를 이미지로 캡쳐하여 저장하고, 상기 이미지는 상기 모바일 기기에 설치된 프로그램에 의해 색에 따른 중금속 이온의 농도가 추정되고,
상기 중금속 검출용 혼합물은 금 나노입자, 앱터머, 및 염이 혼합된 혼합물인 것을 특징으로 하는,
오염된 토양의 중금속 이온 검출 시스템.
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제 4 항에 있어서,
상기 프로그램은,
색에 대응하는 중금속 이온의 농도가 저장된 데이터베이스를 포함하며,
중금속 검출용 혼합물의 색과, 상기 중금속 이온이 첨가된 웰에서 일어나는 중금속 이온 반응 결과가 캡쳐된 이미지상에서의 색을 비교하여 상기 데이터베이스에 기초하여 상기 중금속 이온의 농도를 추정하는 것을 특징으로 하는,
오염된 토양의 중금속 이온 검출 시스템.
채취된 시료 및 중금속 이온 추출용 산이 수용되어 상기 채취된 시료 중의 중금속 이온을 추출하는 휴대용 추출기;
중금속 검출용 혼합물을 수용하는 다수 개의 웰을 구비하며 그 중 적어도 어느 하나에 상기 휴대용 추출기로부터 추출된 중금속 이온이 첨가되는 마이크로 유체칩;
상기 마이크로 유체칩이 내부에 장착되는 모바일 어댑터;
상기 모바일 어댑터에 연결되어 고정되는 모바일 기기를 포함하고,
상기 모바일 기기는 상기 중금속 이온이 첨가된 웰에서 일어나는 중금속 이온 반응 결과를 이미지로 캡쳐하여 저장하고 상기 이미지상의 색에 따른 중금속 이온의 농도를 추정하고,
상기 중금속 검출용 혼합물은 금 나노입자, 앱터머, 및 염이 혼합된 혼합물인 것을 특징으로 하는,
오염된 토양의 중금속 이온 검출 시스템.
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제 7 항에 있어서,
상기 모바일 어댑터는,
상기 모바일 기기와 연결될 수 있도록 형성된 기기 연결부;
상기 기기 연결부로부터 소정의 길이로 연장형성된 몸체부; 및
상기 마이크로 유체칩이 장착되는 유체칩 연결부를 포함하고,
상기 모바일 기기에 의해 상기 이미지가 캡쳐될 시에 외부 빛을 차단하는 것을 특징으로 하는,
오염된 토양의 중금속 이온 검출 시스템.