KR102157106B1

KR102157106B1 - 식중독균 검출장치 및 이를 이용한 식중독균 검출방법

Info

Publication number: KR102157106B1
Application number: KR1020180167909A
Authority: KR
Inventors: 박미경; 최인영; 이민정; 송원근; 박두산
Original assignee: 경북대학교 산학협력단
Priority date: 2018-12-21
Filing date: 2018-12-21
Publication date: 2020-09-17
Also published as: KR20200078219A

Abstract

본 발명은 목적하는 식중독균과 특이적으로 결합하는 수용체가 고정화된 센서를 이용하는 것으로, 자성체인 센서의 공진 주파수를 측정하여 변화되는 공진주파수에 따라 식중독균을 신속하게 검출할 수 있는 식중독균 검출장치 및 이를 이용한 식중독균 검출방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 센서에 결합된 생물학적 수용체가 식중독균에 특이적으로 결합하면서 발생하는 센서의 무게 변화를 진동수 변화를 통해 쉽고 빠르게 현장에서 정성,정량적으로 식중독을 검출할 수 있다.

Description

식중독균 검출장치 및 이를 이용한 식중독균 검출방법{Detection device for foodborne pathogen and its method for foodborne pathogen detection}

본 발명은 식중독균 검출장치 및 이를 이용한 식중독균 검출방법에 관한 것이다.

식중독이란 식품 또는 물의 섭취에 의해 발생되었거나 발생된 것으로 나타나는 감염성 또는 독소형 질환을 말하며, 식중독 감염으로 인해 구토, 설사, 복통, 발열 등에서부터 사망에까지 이를 수 있다. 국내의 식중독 발병 건수는 2002년 대비 2018년에는 78건에서 466건으로 5.9배 증가하였으며, 환자수 또한 3.5배 증가한 것으로 나타났다. 단체급식, 외식산업 및 편이식품의 발달로 식중독 발생 건수가 지속해서 증가함에 따라 국민의 먹거리에 대한 불안감이 고조되고 있으며, 국제적으로 식품의 수출입이 증대됨에 따라 소비자의 식품에 안정성에 대한 요구 및 국제 유통 규정을 충족시키기 위해서는 식중독 원인 물질을 사전에 신속하게 인지하고 대처하는 것이 필요하다.

식중독 발병의 주요 원인은 세균(52%), 바이러스(35%), 화학물질(12%) 그리고 기생충(1%) 순으로 알려져 있다. 특히, 식중독 유발 원인균들은 생산부터 재배, 포장, 유통, 소비까지의 전 단계에 걸쳐 다양한 경로로 오염될 수 있으므로 식중독균을 검출할 수 있는 현장 적용 가능한 신속검출법의 개발이 필요하다.

전통적인 검출법인 배지법의 경우, 고체 배지에 도말하여 배양 후 콜로니 수를 측정하는 방법으로 시료 전처리부터 결과 확인까지에 있어 3~5일의 기간이 소요되므로, 식중독 사고 발생 후 원인균의 분리·동정에는 사용될 수 있으나, 조기에 식중독균을 검출하여 예방하는 것으로 이용되기에는 한계가 있다.

또한, 현재 상용화된 신속검출법(PCR, ELISA 등)의 경우, 필수적인 시료의 전처리 과정, 검출 장비의 소형화 등의 한계뿐만 아니라 현장에서 실질적으로 사용함에 있어 전문 지식과 기술이 요구되므로 일반인들이 사용하기에는 한계가 있다.

따라서, 식품에 존재하는 식중독균을 시료의 전처리 과정 없이 현장에서 신속하고 편리하게 식중독균을 정량·정성적으로 검출할 수 있는 시스템의 개발 및 검출법에 대한 개발이 필요하다.

대한민국 등록특허 제10-1639862호 대한민국 공개특허 제10-2012-0088202호

이에, 본 발명자들은 식품 중 미생물의 오염으로 인한 식중독 사고를 예방하기 위해 식중독균을 현장에서 신속하게 정성·정량적으로 검출할 수 있는 검출장치와 이를 이용한 검출방법을 확립하였으며, 이를 통해 식중독균의 검출을 확인하여 본 발명을 완성하였다.

따라서, 본 발명의 목적은 식품의 식중독균을 신속하고 쉽게 검출할 수 있는 식중독균 신속검출장치를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 식중독균 신속검출장치를 이용한 식중독균 검출방법을 제공하는 것이다.

전술한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 식중독균 검출장치는 식품이 위치되는 식품 스탠드; 식품의 위치를 조절하는 X-Y 스테이지; 식품 표면의 식중독과 결합하는 생물학적 수용체가 고정화된 자기장 하에서 자기 진동 가능한 센서; 센서의 자가 진동을 유도하는 자석판; 센서의 진동을 감지하여 감지된 신호를 변환기로 전달하는 검출기; 및 검출기의 신호를 수치화 하고 시각적으로 변환하는 변환기를 포함한다.

여기서, 상기 식품 스탠드는 식품 크기에 따라 위치를 상하로 조절하고, X-Y 스테이지는 가로 또는 세로로 이동 가능하므로 자기장 하에서 센서의 진동을 민감하게 감시할 수 있도록 한다.

또한, 상기 센서는 자기장하에서 자가 진동을 위해 자성을 띄며, 자기장 하에서 수축과 이완을 반복하여 진동을 생성할 수 있는 플렉서블한 재질일 수 있다.

또한, 상기 생물학적 수용체는 대상 식중독균과 특이적으로 결합하기 위한 박테리오파지, 항체 또는 앱타머 중에 하나 이상을 포함할 수 있다.

또한, 상기 자석판은 2개소로 이루어지며, 자기장 형성을 통해 센서의 자가 진동을 유도하며, 자석판 사이의 거리 조절을 통해 자기장 세기가 조절될 수 있다.

또한, 상기 검출기는 센서의 진동을 감지하여 전달할 수 있는 평판코일이 구성될 수 있다.

또한, 상기 변환기는 검출기에서 수신되는 신호를 공진주파수로 변환하여 시각적으로 표현할 수 있는 회로망 분석기(network analyzer)일 수 있다.

또한, 식중독균은 Listeria monocytogenes, Staphylococcus aureus, Shigella boydii, Shigella flexneri, Shigella sonnei, Clostridium perfringens, Campylobacter jejuni, Bacillus cereus, Yersinia enterocolitica, Salmonella Enteritidis, Vibrio parahaemolyticus, Salmonella Typhimurium 또는 병원성 E. coli 중에 하나 이상일 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 일실시예에 따른 식중독균 검출방법은 대상 식품에 센서가 도포되는 단계; 검출기가 상기 센서의 주파수를 검출하는 단계; 변환기가 상기 검출된 주파수를 식품에 도포하기 전의 센서의 주파수와 비교하여 추세식을 산출하는 단계; 및, 변환기가 상기 추세식으로부터 특정 주파수에 대한 식중독균의 농도를 산출하는 단계; 를 포함한다.

전술한 바와 같은 본 발명에 따르면, 센서에 결합된 생물학적 수용체가 식중독균에 특이적으로 결합하면서 발생하는 센서의 무게 변화를 진동수 변화를 통해 쉽고 빠르게 현장에서 정성, 정량적으로 식중독을 검출할 수 있는 이점이 있다.

이상에서의 본 발명에 따른 효과는 상기에 한정되는 것은 아니며, 기타 본 발명의 효과들은 후술할 실시예 및 청구범위에 기재된 사항을 통하여 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 분명하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 식중독균 검출장치를 간략하게 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 식중독균 검출장치를 나타낸 사시도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 식중독균 검출장치의 센서를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 식중독균 검출장치의 작용상태도를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 배양액 내의 식중독균 농도별 신호의 변화를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 식품의 식중독균 농도에 따른 신호의 변화를 나타낸 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참고하여 보다 상세하게 설명하도록 한다. 먼저 본 발명에서 제시되는 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로 본 발명의 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 변형예들이 있음을 이해하여야 한다.

본 발명은 식품 표면에 오염된 식중독균을 선택적으로 현장에서 신속하게 검출할 수 있도록 하는 식중독균 검출장치 및 이를 이용한 식중독균 검출방법을 제공한다. 보다 구체적으로 본 발명은 목적하는 식중독균과 특이적으로 결합하는 수용체가 고정화된 센서를 이용하는 것으로, 자성체인 센서의 공진주파수를 측정하여 변화되는 공진주파수에 따라 식중독균을 신속하게 검출할 수 있는 식중독균 검출장치 및 이를 이용한 식중독균 검출방법을 제시한다.

이하, 본 발명의 일실시예에 따른 식중독균 검출장치에 대하여 살펴보면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 식중독균 검출장치를 간략하게 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 식중독균 검출장치를 나타낸 사시도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 식중독균 검출장치는 식품 스탠드(10), X-Y 스테이지(20), 센서(30), 자석판(40), 검출기(50) 및 변환기(60)를 포함하여 구성된다.

구체적으로 식품 스탠드(10)는 테스트할 식품을 위치하기 위한 구성이다. 식품 스탠드(10)는 판상체로 이루어질 수 있으며 위치되는 식품 크기에 따라 그 위치가 위 또는 아래 방향으로 조절된다. 그리고 X-Y 스테이지(20)는 가로 또는 세로로 조절된다. 식품 스탠드(10)와 X-Y 스테이지(20)는 후술되는 검출기(50)에 근접하기 위해 이동 가능하도록 구성되며, 바람직하게는 센서(30)의 진동을 유도하기 위해 자석판(40) 사이와 검출기(50)에 근접하는 적절한 위치로 이동시킬 수 있도록 한다. 본 발명에서는 도시된 바와 같이 레일과 신축기로 적절하게 구현될 수 있으나, 이에 한정하지 않고 다양한 이동 수단을 구비할 수 있다.

센서(30)는 식품의 표면에 접촉하는 것으로서, 자성을 띄며 자기장 하에서 스스로 수축과 이완을 반복하는 자가진동이 가능하도록 구성된다.

도 3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 센서를 나타낸 도면이다. 도시된 바와 같이 검출대상이 되는 식중독균에 특이적인 생물학적 수용체를 센서(30) 표면에 고정하여 검출에 사용될 수 있다.

본 발명에서 센서(30)로 구성되기 위해서는 예컨대 금속 박판으로 이루어짐으로써 자가 진동이 가능하도록 자성을 가지고 있으며, 자기장 내에서 진동을 발생할 수 있는 플렉서블(flexible)한 재질로 이루어질 수 있다. 바람직하게는 금 박판을 이용할 수 있다.

또한, “생물학적 수용체”는 특정 미생물과 특이적으로 결합하는 것으로 박테리오파지, 항체 또는 앱타머 중에 하나 이상으로 이루어질 수 있으며, 여기서 수용체는 물리적인 흡착 또는 적절한 링커를 사용한 공유결합으로 센서(30) 표면에 고정화될 수 있다.

센서(30)에서 발생되는 진동의 진동수는 센서(30)의 무게 변화에 민감하게 반응하며, 이는 센서(30)의 크기가 작을수록 더 크게 나타난다. 본 발명은 센서(30)의 진동수 또는 센서(30)의 공진주파수 변화에 기인하여 표적하는 식중독균을 검출할 수 있도록 하는데 특징이 있다.

본 발명에서 바람직한 식중독균으로 Listeria monocytogenes, Staphylococcus aureus, Shigella boydii, Shigella flexneri, Shigella sonnei, Clostridium perfringens, Campylobacter jejuni, Bacillus cereus, Yersinia enterocolitica, Salmonella Enteritidis, Vibrio parahaemolyticus, Salmonella Typhimurium 또는 병원성 E. coli 중에 하나 이상일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 살모넬라 타이피뮤리움(Salmonella Typhimurium)일 수 있다. 다만, 이에 한정하는 것은 아니며, 각 식중독균에 특이적으로 결합하는 수용체를 센서에 구비하여 적용될 수 있다.

자석판(40)은 상기 센서(30)의 자가 진동을 유도하기 위한 것으로, 복수의 원형 영구자석을 일정한 거리로 연속되게 배치해 제작된다.

여기서 자기장의 형성을 유도하기 위해 두 개의 자석판(40)이 서로 마주보도록 배치된다.

바람직하게는 자석판(40)이 각각 내장되는 자석판(40) 홀더(41)가 서로 다른 극으로 마주보게 설치될 수 있다.

두 개의 자석판(40)이 각각 내장된 자석판(40) 홀더는 스크류바(42)로 서로 연결되며, 센서(30)의 진동 발생에 적절한 자기장의 세기를 가질 수 있도록 스크류바(42)를 따라 자석판(40) 간의 거리가 검출 조건에 따라 조절될 수 있다.

이를 위해 스크류바(42)를 회전시킬 수 있는 핸들(43)이 구비될 수 있으나 이에 한정하는 것은 아니다.

검출기(50)는 평판코일로 제작될 수 있으며, 센서(30)의 크기에 따라 다양하게 제작이 가능하며, 자기장 하에서 발생하는 센서(30)의 자가 진동을 감지하여 변환기(60)로 전달한다.

변환기(60)는 검출기(50)에서 수신되는 신호를 공진주파수로 변환하게 되며, 이 공진주파수는 시각적으로 표현할 수 있는 회로망 분석기(network analyzer)로 갖춰질 수 있다. 이러한 회로망 분석기는 일반적으로 알려진 구성이므로 구체적인 기재는 생략하도록 한다.

이하, 본 발명의 식중독균 검출장치를 이용한 식중독균 검출방법은 다음과 같다.

도 4는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 식중독균 검출장치의 작용상태도를 나타낸 것이다.

도 4에 도시된 바와 같이 본 발명의 식중독균 검출방법은 상기 식중독균 검출장치를 이용하여 식품에 함유된 식중독균을 정성, 정량적으로 검출하기 위한 일련의 과정이 수행될 수 있다.

보다 구체적으로 테스트하고자 하는 대상 식품을 검출장치의 식품 스탠드(10)에 위치시키고, 식품의 표면에 검출하고자 하는 식중독균에 특이적인 생물학적 수용체가 고정화된 센서(30)를 도포한다.

다음으로, 식품 스탠드(10)와 X-Y 스테이지(20)를 조절하여 식품에 도포된 센서(30)가 검출기(50)의 하단에 위치하도록 한다.

이어서 사용자의 조작이나 시작 신호를 받아 검출기(50)가 상기 식품에 도포된 센서(30)의 주파수를 검출하게 되며, 변환기(60)가 상기 검출기(50)로부터 신호를 수신받는다.

변환기(60)는 검출기(50)의 신호를 시각적으로 확인 가능한 공진주파수로 변환하여 나타내는데, 식중독균과 결합되지 않은 초기 센서(30)의 공진주파수와 식품에 도포되어 생물학적 수용체와 식중독균과 결합된 센서(30)의 공진주파수를 비교하여 추세식을 산출할 수 있다.

추세식을 산출하기 위해서는 센서(30)의 기본적인 공진주파수와, 식중독균과 결합된 센서(30)의 공진주파수를 연속적으로 측정할 수 있으며, 이는 기존에 알려진 회로망 분석기(network analyzer)의 기능으로서 쉽게 구현될 수 있다.

일정한 추세식이 산출되면, 변환기(60)는 추세식으로부터 특정 주파수에 대한 식품에 함유된 식중독균의 농도가 산출될 수 있다. 상술한 본 발명의 일련된 과정을 통하여 정성, 정량적으로 식중독균을 신속하게 검출된다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참고하여 보다 상세하게 설명하도록 한다. 그러나, 하기의 실시예는 본 발명의 내용을 구체화하기 위한 것일 뿐, 이에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아닐 것이다.

<실시예 1> 배양액 상에서의 살모넬라 타이피뮤리움 검출

본 실시예에서는 신속검출장치를 이용하여 배양액 상에서 다양한 농도(2, 4, 6, 8 Log CFU/ml)의 살모넬라 타이피뮤리움을 검출하였다. 살모넬라 타이피뮤리움에 특이적인 박테리오파지를 생물학적 수용체로 하여 센서에 고정하였다. 각각의 센서의 공진주파수를 측정한 뒤, 다양한 농도(2, 4, 6, 8 Log CFU/ml)의 살모넬라 타이피뮤리움에 일정 시간 노출시켰다. 변환기에 나타난 고정화 전·후의 공진주파수를 읽어 그 변화를 확인하고, 이를 이용하여 도 4와 같이 추세선 및 식을 구하였다. 그 결과, 살모넬라 타이피뮤리움의 농도 유의적으로 공진주파수의 변화가 증가하는 것으로 나타났으며, 민감도와 신뢰도를 나타내는 추세선 식의 기울기와 R²값 또한 높은 것으로 나타났다.

<실시예 2> 식품 표면 상에서의 살모넬라 타이피뮤리움 검출

본 실시예에서는 신속검출시스템을 이용하여 식품 상에서 다양한 농도(2, 4, 6, 8 Log CFU/ml)의 살모넬라 타이피뮤리움을 검출하였다. 살모넬라 타이피뮤리움에 특이적인 박테리오파지를 생물학적 수용체로 하여 센서에 고정하였다. 각각의 센서의 공진주파수를 측정한 뒤, 다양한 농도(2, 4, 6, 8 Log CFU/ml)의 살모넬라 타이피뮤리움이 오염된 사과의 표면에 센서를 도포하여 일정 시간 노출시켰다. 변환기에 나타난 고정화 전·후의 공진주파수를 읽어 그 변화를 확인하고, 이를 이용하여 도 5와 같이 추세선 및 식을 구하였다. 그 결과, 살모넬라 타이피뮤리움의 농도 유의적으로 공진주파수의 변화가 증가하는 것으로 나타났으며, 민감도와 신뢰도를 나타내는 추세선 식의 기울기와 R²값 또한 높은 것으로 나타났다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명되었으나, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 구성요소를 추가, 변경, 삭제 등을 통하여, 퇴보적인 다른 발명이나 본 발명 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상술한 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

P: 식품
10: 식품 스탠드
20: X-Y 스테이지
30: 센서
40: 자석판
50: 검출기
60: 변환기

Claims

식품이 위치되는 식품 스탠드;
식품의 위치를 조절하는 X-Y 스테이지;
식품 표면의 식중독균과 결합하는 생물학적 수용체가 고정화된 자기장 하에서 자가진동 가능한 센서;
센서의 자가진동을 유도하는 자석판;
센서의 진동을 감지하여 감지된 신호를 변환기로 전달하는 검출기; 및 검출기의 신호를 시각적으로 변환하는 변환기;를 포함하는 식중독균 검출장치로,
상기 센서는 자가진동을 위해 자성을 띄며, 자기장 하에서 수축과 이완을 반복하여 진동을 생성할 수 있는 플렉서블한 재질이고,
상기 생물학적 수용체는 상기 센서 표면에 고정되어 있으며, 대상 식중독균과 특이적으로 결합하기 위한 박테리오파지인 것을 특징으로 하고,
상기 자석판은 복수의 원형 영구자석을 일정한 거리로 연속되게 배치되어 있는 2개소로 이루어지며, 자기장 형성을 통해 센서의 자가진동을 유도하며, 자석판 사이의 거리 조절을 통해 자기장 세기가 조절되고,
상기 검출기는 센서의 진동을 감지하여 전달할 수 있는 평판 코일이 구성되는 것을 특징으로 하는 식중독균 검출장치.
제1항에 있어서,
상기 식품 스탠드는 식품 크기에 따라 위치를 위 또는 아래로 조절되고,
X-Y 스테이지는 가로 또는 세로로 조절되는 것을 특징으로 하는 식중독균 검출장치.
삭제
삭제
삭제
삭제
제1항에 있어서,
상기 변환기는 검출기에서 수신되는 신호를 공진주파수로 변환하여 시각적으로 표현할 수 있는 회로망 분석기(network analyzer)인 것을 특징으로 하는 식중독균 검출장치.
제1항에 있어서,
상기 식중독균은 리스테리아 모노사이토제니스(Listeria monocytogenes), 황색포도상구균(Staphylococcus aureus), 시겔라 보이디(Shigella boydii), 시겔라 플렉스너리(Shigella flexneri), 시겔라 소네이(Shigella sonnei), 클로스트리듐 페르프린젠스(Clostridium perfringens), 캄필로박터 제주니(Campylobacter jejuni), 바실러스 세레우스(Bacillus cereus), 에르시니아 엔테로콜리티카(Yersinia enterocolitica), 살모넬라 엔테리티디스(Salmonella Enteritidis), 비브리오 파라헤몰리티쿠스(Vibrio parahaemolyticus), 살모넬라 티피뮤리움(Salmonella Typhimurium) 또는 병원성 대장균(E. coli) 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 식중독균 검출장치.
식중독균에 특이적인 박테리오파지를 생물학적 수용체로 하여 센서에 고정하는 1단계;
식중독균 검사 대상 식품에 자기장 하에 자가진동 가능한 센서가 도포되는 2단계;
자석판 사이와 검출기에 근접하는 적절한 위치로 이동시켜 센서의 자가진동을 유도하는 3단계;
검출기가 상기 센서의 주파수를 검출하는 4단계;
변환기가 상기 검출된 주파수를 식품에 도포하기 전의 센서의 주파수와 비교하여 추세식을 산출하는 5단계; 및,
변환기가 상기 추세식으로부터 특정 주파수에 대한 식중독균의 농도를 산출하는 6단계;
를 포함하는, 식중독균 검출방법으로,
상기 식중독균은 리스테리아 모노사이토제니스(Listeria monocytogenes), 황색포도상구균(Staphylococcus aureus), 시겔라 보이디(Shigella boydii), 시겔라 플렉스너리(Shigella flexneri), 시겔라 소네이(Shigella sonnei), 클로스트리듐 페르프린젠스(Clostridium perfringens), 캄필로박터 제주니(Campylobacter jejuni), 바실러스 세레우스(Bacillus cereus), 에르시니아 엔테로콜리티카(Yersinia enterocolitica), 살모넬라 엔테리티디스(Salmonella Enteritidis), 비브리오 파라헤몰리티쿠스(Vibrio parahaemolyticus), 살모넬라 티피뮤리움(Salmonella Typhimurium) 또는 병원성 대장균(pathogenic E. coli) 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하고,
상기 1단계의 센서는 자가진동을 위해 자성을 띄며, 자기장 하에서 수축과 이완을 반복하여 진동을 생성할 수 있는 플렉서블한 재질인 것을 특징으로 하며,
상기 1단계의 생물학적 수용체는 상기 1단계의 센서 표면에 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 식중독균 검출방법.