KR102534361B1 - 전기식 공기 중 입자 농축기 및 공기 중 입자의 농축 및 검출 방법 - Google Patents
전기식 공기 중 입자 농축기 및 공기 중 입자의 농축 및 검출 방법 Download PDFInfo
- Publication number
- KR102534361B1 KR102534361B1 KR1020220061394A KR20220061394A KR102534361B1 KR 102534361 B1 KR102534361 B1 KR 102534361B1 KR 1020220061394 A KR1020220061394 A KR 1020220061394A KR 20220061394 A KR20220061394 A KR 20220061394A KR 102534361 B1 KR102534361 B1 KR 102534361B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- electrode
- particle concentrator
- main body
- collection
- electric
- Prior art date
Links
- 239000002245 particle Substances 0.000 title claims abstract description 143
- 238000001514 detection method Methods 0.000 title claims abstract description 7
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims abstract description 29
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims description 66
- 241000700605 Viruses Species 0.000 claims description 30
- 230000005684 electric field Effects 0.000 claims description 19
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 14
- CIWBSHSKHKDKBQ-JLAZNSOCSA-N Ascorbic acid Chemical compound OC[C@H](O)[C@H]1OC(=O)C(O)=C1O CIWBSHSKHKDKBQ-JLAZNSOCSA-N 0.000 claims description 12
- LOKCTEFSRHRXRJ-UHFFFAOYSA-I dipotassium trisodium dihydrogen phosphate hydrogen phosphate dichloride Chemical compound P(=O)(O)(O)[O-].[K+].P(=O)(O)([O-])[O-].[Na+].[Na+].[Cl-].[K+].[Cl-].[Na+] LOKCTEFSRHRXRJ-UHFFFAOYSA-I 0.000 claims description 8
- 239000002953 phosphate buffered saline Substances 0.000 claims description 8
- 241000894006 Bacteria Species 0.000 claims description 6
- 241000725303 Human immunodeficiency virus Species 0.000 claims description 6
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 241000008910 Severe acute respiratory syndrome-related coronavirus Species 0.000 claims description 6
- 229960005070 ascorbic acid Drugs 0.000 claims description 6
- 235000010323 ascorbic acid Nutrition 0.000 claims description 6
- 239000011668 ascorbic acid Substances 0.000 claims description 6
- 241000711573 Coronaviridae Species 0.000 claims description 5
- 241000127282 Middle East respiratory syndrome-related coronavirus Species 0.000 claims description 5
- 208000002606 Paramyxoviridae Infections Diseases 0.000 claims description 5
- 241000700584 Simplexvirus Species 0.000 claims description 5
- 241000709661 Enterovirus Species 0.000 claims description 4
- 241000712461 unidentified influenza virus Species 0.000 claims description 4
- 241001678559 COVID-19 virus Species 0.000 claims description 3
- UXVMQQNJUSDDNG-UHFFFAOYSA-L Calcium chloride Chemical compound [Cl-].[Cl-].[Ca+2] UXVMQQNJUSDDNG-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 3
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 claims description 3
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 241000725619 Dengue virus Species 0.000 claims description 3
- 241000305071 Enterobacterales Species 0.000 claims description 3
- 241000233866 Fungi Species 0.000 claims description 3
- 241000701085 Human alphaherpesvirus 3 Species 0.000 claims description 3
- 241000714216 Levivirus Species 0.000 claims description 3
- 201000005505 Measles Diseases 0.000 claims description 3
- 241000725643 Respiratory syncytial virus Species 0.000 claims description 3
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 241000700618 Vaccinia virus Species 0.000 claims description 3
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000001110 calcium chloride Substances 0.000 claims description 3
- 229910001628 calcium chloride Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 claims description 3
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 3
- 238000002848 electrochemical method Methods 0.000 claims description 3
- 239000007769 metal material Substances 0.000 claims description 3
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 201000009240 nasopharyngitis Diseases 0.000 claims description 3
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 244000052769 pathogen Species 0.000 claims description 3
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 claims description 3
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims description 3
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 241000701161 unidentified adenovirus Species 0.000 claims description 3
- 150000003712 vitamin E derivatives Chemical class 0.000 claims description 3
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000011701 zinc Substances 0.000 claims description 3
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000004332 silver Substances 0.000 claims description 2
- 239000012141 concentrate Substances 0.000 abstract description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 14
- 238000005094 computer simulation Methods 0.000 description 7
- 230000008859 change Effects 0.000 description 5
- 239000000443 aerosol Substances 0.000 description 3
- 241000282412 Homo Species 0.000 description 2
- FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M Sodium chloride Chemical group [Na+].[Cl-] FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 244000144972 livestock Species 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 230000005404 monopole Effects 0.000 description 2
- 238000003752 polymerase chain reaction Methods 0.000 description 2
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 description 2
- 208000025721 COVID-19 Diseases 0.000 description 1
- 244000062175 Fittonia argyroneura Species 0.000 description 1
- 238000003556 assay Methods 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 230000005182 global health Effects 0.000 description 1
- 230000036541 health Effects 0.000 description 1
- 238000012625 in-situ measurement Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 230000001717 pathogenic effect Effects 0.000 description 1
- 230000000241 respiratory effect Effects 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 230000003612 virological effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N1/00—Sampling; Preparing specimens for investigation
- G01N1/28—Preparing specimens for investigation including physical details of (bio-)chemical methods covered elsewhere, e.g. G01N33/50, C12Q
- G01N1/40—Concentrating samples
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
- G01N15/02—Investigating particle size or size distribution
- G01N15/0266—Investigating particle size or size distribution with electrical classification
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
- G01N15/10—Investigating individual particles
- G01N15/1031—Investigating individual particles by measuring electrical or magnetic effects
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N1/00—Sampling; Preparing specimens for investigation
- G01N1/28—Preparing specimens for investigation including physical details of (bio-)chemical methods covered elsewhere, e.g. G01N33/50, C12Q
- G01N1/40—Concentrating samples
- G01N2001/4038—Concentrating samples electric methods, e.g. electromigration, electrophoresis, ionisation
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Dispersion Chemistry (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Sampling And Sample Adjustment (AREA)
Abstract
본 발명은, 전기식 공기 중 입자 농축기 및 공기 중 입자의 농축 및 검출 방법에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기식 공기 중 입자 농축기는, 내부 공간을 형성하는 본체; 상기 본체 상부에 설치되어 공기 중 입자들이 상기 본체 내로 유입되는 유동 입구; 상기 본체 내 하부에 설치된 채집 전극; 상기 본체 내에서 상기 채집 전극 상부에 설치된 적어도 하나의 전도사 전극; 상기 본체 하부에 설치되어 채집 용액이 상기 본체 내로 유입되는 채집 용액 입구; 및 상기 채집 용액 입구 반대편에 설치되어 상기 본체 내를 흐른 후 배출되는 채집 용액 출구;를 포함한다.
Description
본 발명은 전기식 공기 중 입자 농축기 및 공기 중 입자의 농축 및 검출 방법에 관한 것이다.
바이오-에어로졸 (공기 중의 바이러스 혹은 박테리아)은 인간 또는 가축의 다양한 노출 경로를 통해 감염성을 유발하거나 축산 운영에 경제적 손실을 초래할 수 있다.
특히, 인플루엔자 바이러스 및 코로나바이러스와 같은 공기 중 병원성 바이러스는 오랫동안 인간에게 심각한 건강 위협이었으며, COVID-19 대유행의 발생은 이러한 바이러스에 의해 세계적인 건강 위기가 발생할 수 있음을 보여주었다. 공기 중 바이러스 농도는 보통 매우 적지만, 이러한 바이러스에 직접 노출 및 흡입될 경우 소량으로도 심각한 호흡기 질환을 유발할 수 있으므로 공기 중 바이러스에 대한 신속한 현장 측정 시스템의 중요성을 알 수 있다. 공기 중 바이러스를 정량화하기 위해서는 일반적으로 바이러스 에어로졸 입자를 액체 매질에 포집하거나 또는 고체 표면에 포집한 후 액체에 넣어, 중합효소 연쇄 반응(polymerase chain reaction; PCR) 및 배양 기반 분석을 거친다.
바이오-에어로졸은 일반적으로 낮은 농도로 분포하여, 빠른 채집 및 감지를 위해서 채집 장치는 채집효율, 유량, 그리고 농축비가 높은 것과 입자의 손상이 적은 것이 중요하다.
종래의 채집기로는 입자의 관성을 이용한 채집 장치, 필터 기반 채집기, 그리고 전기식 채집 장치들이 있다.
관성 기반 채집 장치는 높은 유량을 이용한 채집이 가능하지만, 채집 시 입자에 가해지는 충격 때문에 입자들에 손상을 준다. 또한, 필터를 이용한 채집은 채집된 입자들의 건조화 과정과 추출과정 때문에 오랜 시간 채집이 어렵다. 그리고, 전기식 채집기는 높은 채집효율 및 낮은 입자 손상이 장점이나 사용 유량이 작은 단점과 함께 채집 면적이 좁을 경우 채집효율이 떨어지는 단점이 있다.
이에, 높은 유량 및 좁은 채집 면적에서 높은 채집 효율로 공기 중 입자를 빠르게 농축시킬 수 있는 전기식 공기 중 입자 농축기의 개발이 절실히 필요하다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 높은 유량 및 좁은 채집 면적에서 높은 채집 효율로 공기 중 입자를 빠르게 농축시킬 수 있는 전기식 공기 중 입자 농축기, 그의 제조방법 및 공기 중 입자의 농축 및 검출 방법을 제공하는 것이다.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 분야 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기식 공기 중 입자 농축기는, 내부 공간을 형성하는 본체; 상기 본체 상부에 설치되어 공기 중 입자들이 상기 본체 내로 유입되는 유동 입구; 상기 본체 내 하부에 설치된 채집 전극; 상기 본체 내에서 상기 채집 전극 상부에 설치된 적어도 하나의 전도사 전극; 상기 본체 하부에 설치되어 채집 용액이 상기 본체 내로 유입되는 채집 용액 입구; 및 상기 채집 용액 입구 반대편에 설치되어 상기 본체 내를 흐른 후 배출되는 채집 용액 출구;를 포함한다.
일 실시형태에 있어서, 상기 유동 입구의 단면은 가로가 120 mm 내지 170 mm이고, 세로가 2 mm 내지 10 mm 인 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 채집 전극은, 고리 형태인 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 고리 형태는 직사각형, 정사각형, 원형 및 타원형으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 채집 전극의 단면은 상기 본체 바닥면 기준 수평인 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 채집 전극의 단면은 단차있게 형성된 계단식 구조를 포함하고, 상기 계단식 구조는 상기 본체 바닥면 기준 0° 초과 30 ° 이하의 각도로 이루어진 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 계단식 구조는, 상기 채집 용액 입구 및 상기 채집 용액 출구 각각을 중심으로 대칭으로 이루어진 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 채집 전극은, 상기 유동 입구로부터 5 mm 내지 100 mm 이격되어 설치된 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 전도사 전극은, 관형의 긴 전극으로, 상기 본체를 가로질러 상기 유동 입구와 평행하게 설치되는 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 전도사 전극은, 철사, 스테인레스스틸사, 은사, 구리사, 니켈사, 티타늄사, 아연사, 탄소섬유사 및 금속성 물질이 코팅된 전극으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 채집 전극과 상기 전도사 전극의 거리는 2 mm 내지 6 mm 이격되어 설치된 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 채집 전극 및 상기 전도사 전극은 병렬로 연결된 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 본체는 상기 채집 용액 입구가 상기 채집 용액 출구보다 위에 있고 상기 채집 용액 출구가 아래에 있는 방향으로 0 °내지 10 ° 경사진 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 채집 용액은, 인산 완충 식염수(Phosphate Buffered Saline; PBS), 아스코르브산(Ascorbic acid; AA), 비타민 E 유사체 및 칼슘 클로라이드로 이루어진 식염수 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 입자는, 바이러스, 박테리아, 진균 또는 기타 유래의 병원균으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 바이러스는, 아데노 바이러스(adenovirus), 레비바이러스 엔테로박테리아 페이즈 MS2(levivirus, enterobacteria phase), 백시니아 바이러스(vaccinia virus), 헤르페스 단순 바이러스(herpes simplex virus), 파라인플루엔자 바이러스(parainfluenza virus), 라이노 바이러스(rhinovirus), 수두 바이러스(varicella Zoster Virus), 홍역 바이러스(measle virus), 호흡기 세포융합 바이러스(respiratory syncytial virus), 뎅기바이러스(Dengue virus), HIV(human immunodeficiency virus), 인플루엔자 바이러스, 코로나 바이러스(Covid-19 virus; SARS-CoV-2), 일반적인 감기 코로나 바이러스(HKU1, OC43, NL63, 229E), 중증급성 호흡기 증후군 코로나 바이러스(severe acute respiratory syndrome-related coronavirus; SARS-CoV), 중동 호흡기 증후군 코로나바이러스(middle east respiratory syndrome coronavirus; MERS-CoV) 및 이들 바이러스의 변종 바이러스로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 전기식 공기 중 입자 농축기는, 상기 채집 공기의 유량이 20 L/min 내지 500 L/min에서, 상기 공기 중 입자를 104 이상의 농축비율로 포집 및 농축하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 적어도 하나의 공기 유동 출구;를 더 포함하고, 상기 유동 출구는 상기 본체 하부, 측부, 상부 또는 모두에 설치되는 것일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 공기 중 입자의 농축 및 검출 방법은, 본 발명의 일 실시예의 전기식 공기 중 입자 농축기를 이용하고, 상기 채집 용액을 상기 채집 용액 입구로 주입하는 단계; 단극 하전기(unipolar charger)를 이용하여 전도사 전극 및 채집 전극 사이의 전기장에 의해 상기 공기 중 입자를 포집 및 농축하는 단계; 및 전기화학 측정을 진행하여 포집된 상기 입자를 검출하는 단계;를 포함한다.
일 실시형태에 있어서, 상기 채집 용액을 상기 채집 용액 입구로 주입하는 단계는, 상기 채집 용액을 10 μl/min 내지 1 L/min의 유량으로 주입하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기식 공기 중 입자 농축기는 좁은 면적의 채집 전극과 높은 유량에서의 채집효율을 높이기 위해 채집 전극 상단에 전도사 전극을 설치하여, 이를 통해 채집 전극과 상기 전도사 전극 사이 상대적으로 강화된 전기장이 발생하며, 이를 이용하여 종래의 전기식 채집 장치보다 높은 유량, 높은 농축비 그리고 높은 채집효율을 전산 모사를 통해 확인할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 공기 중 입자의 농축 및 검출 방법은, 채집 전극 상단에 철사 전극을 설치한 전기식 공기 중 입자 농축기를 이용함으로써, 높은 유량 및 좁은 채집 면적에서의 높은 채집효율로 공기 중 입자를 빠르게 농축시킬 수 있다. 이를 통해 공기 중 바이러스, 박테리아, 포자 등을 신속히 측정 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기식 공기 중 입자 농축기의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기식 공기 중 입자 농축기의 상면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기식 공기 중 입자 농축기의 측면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기식 공기 중 입자 농축기의 정면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기식 공기 중 입자 농축기의 내부를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 상이한 채집 전극을 단면 구조를 확대한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 채집 전극의 상이한 단면 구조에 따른 작동 시 입자의 유입 및 배출을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 고 유량의 전기식 공기 중 입자 농축기(HEPC)의 철사 전극에 따른 전기장 강도를 체크하기 위한 선을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 고 유량의 전기식 공기 중 입자 농축기(HEPC)의 전산모사를 통한 채집 전극 상단에서의 철사 전극 유무 및 전극 중심에서의 거리에 따른 전기장 세기 비교 결과 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 고 유량의 전기식 공기 중 입자 농축기(HEPC)의 철사 전극 유무에 따른 전기장 세기 변화 결과를 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 고 유량의 전기식 공기 중 입자 농축기(HEPC)의 철사 전극 유무 및 채집 전극 형상에 따른 0.3 μm 입자의 움직임 변화를 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 고 유량의 전기식 공기 중 입자 농축기(HEPC)의 철사 전극 유무 및 채집 전극 형상에 따른 0.3 μm 입자의 채집효율 결과 그래프이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 고 유량의 전기식 공기 중 입자 농축기(HEPC)의 입구와 채집 전극 사이 거리에 따른 유동장 변화 결과를 나타낸 도면이다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 고 유량의 전기식 공기 중 입자 농축기(HEPC)의 입구와 채집 전극 사이 거리에 따른 0.3 μm 입자의 움직임 변화를 나타낸 도면이다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 고 유량의 전기식 공기 중 입자 농축기(HEPC)의 입구와 채집 전극 사이 거리에 따른 입자 채집효율 결과를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기식 공기 중 입자 농축기의 상면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기식 공기 중 입자 농축기의 측면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기식 공기 중 입자 농축기의 정면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기식 공기 중 입자 농축기의 내부를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 상이한 채집 전극을 단면 구조를 확대한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 채집 전극의 상이한 단면 구조에 따른 작동 시 입자의 유입 및 배출을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 고 유량의 전기식 공기 중 입자 농축기(HEPC)의 철사 전극에 따른 전기장 강도를 체크하기 위한 선을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 고 유량의 전기식 공기 중 입자 농축기(HEPC)의 전산모사를 통한 채집 전극 상단에서의 철사 전극 유무 및 전극 중심에서의 거리에 따른 전기장 세기 비교 결과 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 고 유량의 전기식 공기 중 입자 농축기(HEPC)의 철사 전극 유무에 따른 전기장 세기 변화 결과를 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 고 유량의 전기식 공기 중 입자 농축기(HEPC)의 철사 전극 유무 및 채집 전극 형상에 따른 0.3 μm 입자의 움직임 변화를 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 고 유량의 전기식 공기 중 입자 농축기(HEPC)의 철사 전극 유무 및 채집 전극 형상에 따른 0.3 μm 입자의 채집효율 결과 그래프이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 고 유량의 전기식 공기 중 입자 농축기(HEPC)의 입구와 채집 전극 사이 거리에 따른 유동장 변화 결과를 나타낸 도면이다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 고 유량의 전기식 공기 중 입자 농축기(HEPC)의 입구와 채집 전극 사이 거리에 따른 0.3 μm 입자의 움직임 변화를 나타낸 도면이다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 고 유량의 전기식 공기 중 입자 농축기(HEPC)의 입구와 채집 전극 사이 거리에 따른 입자 채집효율 결과를 나타낸 도면이다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다.
어느 하나의 실시 예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시 예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시 예에 기재한 설명은 다른 실시 예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
이하, 본 발명의 전기식 공기 중 입자 농축기, 그의 제조방법 및 공기 중 입자의 농축 및 검출 방법에 대하여 실시예 및 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나, 본 발명이 이러한 실시예 및 도면에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기식 공기 중 입자 농축기는, 내부 공간을 형성하는 본체; 상기 본체 상부에 설치되어 공기 중 입자들이 상기 본체 내로 유입되는 유동 입구; 상기 본체 내 하부에 설치된 채집 전극; 상기 본체 내에서 상기 채집 전극 상부에 설치된 적어도 하나의 전도사 전극; 상기 본체 하부에 설치되어 채집 용액이 상기 본체 내로 유입되는 채집 용액 입구; 및 상기 채집 용액 입구 반대편에 설치되어 상기 본체 내를 흐른 후 배출되는 채집 용액 출구;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 공기 중 입자 농축기는, 단극 하전기(unipolar charger)를 이용하여 공기 중 입자들이 농축기 안으로 들어올 때, 높은 전하량을 가질 수 있게 하여, 좁은 면적의 채집 전극에, 채집 전극 위 철사 전극과 유동 입구와 채집 전극 간 거리를 짧게 만들어, 결과적으로 고 전기장과 좁은 유동을 각각 형성해서 높은 유량에서도 공기 중의 입자들을 농축시킬 수 있다. 단극 하전기는 공기 중의 입자에 전하를 입히는 장치이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기식 공기 중 입자 농축기의 단면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기식 공기 중 입자 농축기의 상면도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기식 공기 중 입자 농축기의 측면도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기식 공기 중 입자 농축기의 정면도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기식 공기 중 입자 농축기의 내부를 나타낸 도면이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기식 공기 중 입자 농축기(100)는, 본체(110), 유동 입구(120), 채집 전극(130), 전도사 전극(140), 채집 용액 입구(150), 채집 용액 출구(160) 및 유동 출구(170, 180)를 포함한다.
일 실시형태에 있어서, 상기 본체(110)는, 내부 공간을 형성하고, 사면체 형상으로 이루어져 있다. 도면에는 상기 본체(110)가 직육면체 형상으로 이루어진 것으로 도시되어 있으나, 상면, 하면 및 측면으로 구성된 원통형일 수도 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 본체(110)는, 가로가 긴 사면체 형상인 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 본체(110)는 가로가 150 mm 내지 200 mm; 150 mm 내지 180 mm; 150 mm 내지 160 mm; 170 mm 내지 200 mm; 또는 170 mm 내지 180 mm;이고, 세로가 30 mm 내지 100 mm; 30 mm 내지 80 mm; 30 mm 내지 60 mm; 30 mm 내지 40 mm; 50 mm 내지 100 mm; 50 mm 내지 80 mm; 50 mm 내지 60 mm; 70 mm 내지 100 mm; 70 mm 내지 80 mm; 또는 80 mm 내지 100 mm;인 것일 수 있다. 바람직하게는, 상기 본체(110)는 가로가 170 mm이고, 세로가 50 mm인 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 유동 입구(120)는 상기 본체(110) 상부에 설치되어 공기 중 입자들이 상기 본체(110) 내로 유입되는 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 유동 입구(120)는 상기 본체(110)의 상부가 상기 본체(110)의 형상대로 가로가 긴 직사각형으로 개방되어 있고, 상기 직사각형 입구로부터 상기 본체 외부까지 상면 및 하면이 개방된 사면체 형상으로 연장되어 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 유동 입구(120)의 단면은 가로가 120 mm 내지 170 mm; 120 mm 내지 150 mm; 120 mm 내지 130 mm; 140 mm 내지 170 mm; 140 mm 내지 150 mm; 또는 150 mm 내지 170 mm;이고, 세로가 2 mm 내지 10 mm; 2 mm 내지 8 mm; 2 mm 내지 6 mm; 2 mm 내지 4 mm; 4 mm 내지 10 mm; 4 mm 내지 8 mm; 4 mm 내지 6 mm; 6 mm 내지 10 mm; 6 mm 내지 8 mm; 또는 8 mm 내지 10 mm;인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 공기 중 입자 농축기는, 높은 유량 및 좁은 채집 면적에서의 높은 채집효율로 공기 중 입자를 빠르게 농축시킬 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 채집 전극(130)은, 상기 본체(110) 내 하부에 설치된다.
일 실시형태에 있어서, 상기 채집 전극(130)은, 고리 형태인 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 고리 형태는 직사각형, 정사각형, 원형 및 타원형으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다. 바람직하게는, 직사각형 형태인 것일 수 있다.
상기 채집 전극(130)은 상기 본체(110) 내 하부에서 고리 형태로 설치되어 있어 중간 부분은 비어 있는 상태이다. 상기 채집 용액 입구(150)로부터 유입된 채집 용액이 흘러 채집 용액 출구(160)로 배출되는 것일 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 상이한 채집 전극을 단면 구조를 확대한 도면이다.
일 실시형태에 있어서, 상기 채집 전극(130)의 단면은 단차있게 형성된 계단식 구조를 포함하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 채집 전극의 단면은 상기 본체 바닥면 기준 수평인 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 계단식 구조는 상기 본체 바닥면 기준 0 ° 초과 30 ° 이하; 0 ° 초과 25 ° 이하; 0 ° 초과 20 ° 이하; 0 ° 초과 15 ° 이하; 0 ° 초과 10 ° 이하; 0 ° 초과 5 ° 이하; 5 ° 내지 30 °; 5 ° 내지 25 °; 5 ° 내지 20 °; 5 ° 내지 15 °; 5 ° 내지 10 °; 10 ° 내지 30 °; 10 ° 내지 25 °; 10 ° 내지 20 °; 10 ° 내지 15 °; 15 ° 내지 30 °; 15 ° 내지 25 °; 15 ° 내지 20 °; 20 ° 내지 30 °; 또는 20 ° 내지 25 °;의 각도로 이루어진 것일 수 있다.
도 6의 (a)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 채집 전극은 상기 계단식 구조는 본체 바닥면 기준 30 °의 각도로 이루어진 것일 수 있다.
도 6의 (b)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 채집 전극 구조는 수평으로 이루어진 것일 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 채집 전극의 상이한 단면 구조에 따른 작동 시 입자의 유입 및 배출을 나타내는 도면이다.
도 7의 (a)를 참조하면, 채집 전극의 계단식 구조 각도가 30 °인 경우 단극 하전기(unipolar charger)에 의해 하전된 공기 중의 입자들이 입구를 통과하여 채집 전극(130)과 전도사 전극(140) 사이의 강한 전기장에 의해 채집되는 것을 알 수 있다.
도 7의 (b)를 참조하면, 채집 전극이 수평인 경우 역시 채집 전극(130)과 전도사 전극(140) 사이의 강한 전기장에 의해 채집되는 것을 알 수 있다.
예를 들어, 채집 전극(130)은, 가운데가 올라와 있는 구조와 평평한 구조 두 개이다.
일 실시형태에 있어서, 상기 계단식 구조는, 상기 채집 용액 입구 및 상기 채집 용액 출구 각각을 중심으로 대칭으로 이루어진 것일 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 상기 채집 전극(130)의 계단식 구조는 상기 채집 용액 입구를 중심으로 하여 대칭으로 같은 모양으로 이루어진 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 채집 전극(130)은, 상기 유동 입구로부터 5 mm 내지 100 mm; 5 mm 내지 80 mm; 5 mm 내지 60 mm; 5 mm 내지 40 mm; 5 mm 내지 20 mm; 5 mm 내지 10 mm; 20 mm 내지 100 mm; 20 mm 내지 80 mm; 20 mm 내지 60 mm; 20 mm 내지 40 mm; 40 mm 내지 100 mm; 40 mm 내지 80 mm; 40 mm 내지 60 mm; 60 mm 내지 100 mm; 60 mm 내지 80 mm; 또는 80 mm 내지 100 mm; 이격되어 설치된 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 전도사 전극(140)은, 상기 본체(110) 내에서 상기 채집 전극(130) 상부에 설치된 적어도 하나를 포함한다. 도 1, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 전도사 전극(140)은 상기 본체(110) 내를 관통하여 형성된 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 전도사 전극(140)은, 관형의 긴 전극으로, 상기 본체(110)를 가로질러 상기 유동 입구(120)와 평행하게 설치되는 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 전도사 전극(140)은, 2 개 내지 10 개; 2 개 내지 8 개; 2 개 내지 6 개; 2 개 내지 4 개; 4 개 내지 10 개; 4 개 내지 8 개; 4 개 내지 6 개; 6 개 내지 10 개; 6 개 내지 8 개; 또는 8 개 내지 10 개를 포함하는 것일 수 있다.
바람직하게는, 상기 전도사 전극(140)은 4 개를 포함하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 채집 용액 입구(150)는, 상기 본체(110) 하부에 설치되어 채집 용액이 상기 본체 내로 유입된다.
본 발명에서 사용하는 용어 '전도사'는 전도성이 있는 가늘고 길게 만든 금속의 줄의 의미인 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 전도사 전극(140)은, 철사, 스테인레스스틸사, 은사, 구리사, 니켈사, 티타늄사, 아연사, 탄소섬유사 및 금속성 물질이 코팅된 전극으로 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
바람직하게는, 상기 전도사 전극(140)은 철사인 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 채집 전극(130) 과 상기 전도사 전극(140)의 거리는 2 mm 내지 6 mm 이격되어 설치된 것일 수 있다. 상기 채집 전극(130) 과 상기 전도사 전극(140)의 거리가 2 mm 미만인 경우 입자가 채집전극에 다가오기 전에 퍼져서 채집 효율이 떨어지고, 철사에서의 전기장 세기가 너무 높아지면서 dielectric breakdown이 쉽게 발생할 수 있고, 6 mm 초과인 경우 전기장의 세기가 약해져서 채집효율이 떨어지는 문제가 발생할 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 채집 전극 및 상기 전도사 전극은 여러 개가 나란히 배치되고, 서로 연결된 것일 수 있다. 즉 채집 용액이 나란히 배치된 채집 전극 전체를 다 흘러가면서 채집된 공기 중 입자들을 모두 수거할 수 있게 흐르도록 연결될 것일 수 있다. 단극 하전기에 의해 하전된 공기 중의 입자들이 입구를 통과하여 채집 전극(130)과 전도사 전극(140) 사이의 강한 전기장에 의해 채집될 수 있다. 채집 전극과 전도사 전극(140) 사이의 거리 및 채집 전극의 너비의 최적화를 전산모사를 이용해서 확인할 수도 있다. 이를 병렬로 만들어 공기 유량을 100 L/min로 확대 가능하다. 예를 들어, 5 개인 경우, 총 100 L/min이다.
일 실시형태에 있어서, 상기 채집 용액 출구(160)는 상기 채집 용액 입구(150) 반대편에 설치되어, 공기 중 입자를 채집하는 도중에, 채집용액이 상기 입구에서 나와 상기 채집 전극(130) 내를 흐른 후 상기 출구로 채집된 입자를 포함하며 배출된다.
또는, 상기 채집 용액 입구(150) 에서 채집 용액이 나와, 상기 채집 전극 위 에 머문 후, 채집이 다 끝난 뒤 상기 채집 용액 출구로 채집된 입자를 포함하며 배출될 수도 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 본체는 상기 채집 용액 입구가 상기 채집 용액 출구보다 위에 있고 상기 채집 용액 출구가 아래에 있는 방향으로 0 ° 내지 10 °; 3 ° 내지 10 °; 5 ° 내지 10 °; 8 ° 내지 10 °; 0 ° 내지 8 °; 3 ° 내지 8 °; 5 ° 내지 8 °; 0 ° 내지 5 °;또는 3 ° 내지 5 °; 경사진 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 채집 용액은, 인산 완충 식염수(Phosphate Buffered Saline; PBS), 아스코르브산(Ascorbic acid; AA), 비타민 E 유사체 및 칼슘 클로라이드로 이루어진 식염수 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
바람직하게는, 상기 채집 용액은, 인산 완충 식염수(PBS)인 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 입자는, 바이러스, 박테리아, 진균 또는 기타 유래의 병원균으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 바이러스는, 아데노 바이러스(adenovirus), 레비바이러스 엔테로박테리아 페이즈 MS2(levivirus, enterobacteria phase), 백시니아 바이러스(vaccinia virus), 헤르페스 단순 바이러스(herpes simplex virus), 파라인플루엔자 바이러스(parainfluenza virus), 라이노 바이러스(rhinovirus), 수두 바이러스(varicella Zoster Virus), 홍역 바이러스(measle virus), 호흡기 세포융합 바이러스(respiratory syncytial virus), 뎅기바이러스(Dengue virus), HIV(human immunodeficiency virus), 인플루엔자 바이러스, 코로나 바이러스(Covid-19 virus; SARS-CoV-2), 일반적인 감기 코로나 바이러스(HKU1, OC43, NL63, 229E), 중증급성 호흡기 증후군 코로나 바이러스(severe acute respiratory syndrome-related coronavirus; SARS-CoV), 중동 호흡기 증후군 코로나바이러스(middle east respiratory syndrome coronavirus; MERS-CoV) 및 이들 바이러스의 변종 바이러스로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 입자의 직경은 0.02 ㎛ 내지 10 ㎛; 0.02 ㎛ 내지 8 ㎛; 0.02 ㎛ 내지 5 ㎛; 0.02 ㎛ 내지 3 ㎛; 0.02 ㎛ 내지 1 ㎛; 0.02 ㎛ 내지 0.05 ㎛; 0.1 ㎛ 내지 10 ㎛; 0.1 ㎛ 내지 8 ㎛; 0.1 ㎛ 내지 5 ㎛; 0.1 ㎛ 내지 3 ㎛; 0.1 ㎛ 내지 1 ㎛; 0.1 ㎛ 내지 0.05 ㎛; 1 ㎛ 내지 10 ㎛; 1 ㎛ 내지 8 ㎛; 1 ㎛ 내지 5 ㎛; 1 ㎛ 내지 3 ㎛; 3 ㎛ 내지 10 ㎛; 3 ㎛ 내지 8 ㎛; 3 ㎛ 내지 5 ㎛; 5 ㎛ 내지 10 ㎛; 5 ㎛ 내지 8 ㎛; 또는 8 ㎛ 내지 10 ㎛;인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기식 공기 중 입자 농축기(100)는, 적어도 하나의 유동 출구(170, 180);를 더 포함하고, 상기 유동 출구(170, 180)는 상기 본체(110) 하부, 상부 또는 둘 모두에 설치되는 것일 수 있다. 도면에는 본체(110)의 하부에 총 4 개의 유동 출구(170, 180)가 도시되어 있으나, 상부 및 측면에 형성될 수도 있고, 상부 및 하부 모두에 2개 이상의 유동 출구가 설치될 수도 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 전기식 공기 중 입자 농축기는, 상기 채집할 공기의 유량이 20 L/min 내지 500 L/min에서, 상기 공기 중 입자를 104 이상의 농축비율로 포집 및 농축하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기식 공기 중 입자 농축기(100)는 전기화학적 신호를 검출하기 위한 본 발명의 기술분야에서 적용되는 다양한 장치, 예를 들어, 전기화학적 분석기가 결합 또는 연결될 수 있고, 이외에도 열적, 광학적, 전기적, 화학적 또는 물리적 검출신호를 감지 및 분석을 위한 장치 및 전극 등이 더 연결 또는 배치될 수 있으나, 본 명세서는 구체적으로 언급하지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기식 공기 중 입자 농축기는 좁은 면적의 채집 전극과 높은 유량에서의 채집효율을 높이기 채집 전극 상단에 전도사 전극을 설치하여, 이를 통해 채집 전극과 철사 전극 사이 상대적으로 강화된 전기장이 발생하며, 이를 이용하여 종래의 전기식 채집 장치보다 높은 유량, 높은 농축비 그리고 높은 채집효율을 전산 모사를 통해 확인할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 공기 중 입자의 농축 및 검출 방법은, 본 발명의 일 실시예의 전기식 공기 중 입자 농축기를 이용하고, 상기 채집 용액을 상기 채집 용액 입구로 주입하는 단계; 단극 하전기(unipolar charger)를 이용하여 전도사 전극 및 채집 전극 사이의 전기장에 의해 상기 공기 중 입자를 포집 및 농축하는 단계; 및 전기화학 측정을 진행하여 상기 입자를 검출하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 공기 중 입자의 농축 및 검출 방법은 상기 전기식 공기 중 입자 농축기를 이용하는 것이다.
일 실시형태에 있어서, 상기 채집 용액을 상기 채집 용액 입구로 주입하는 단계는, 상기 채집 용액을 10 μl/min 내지 1 L/min; 50 μl/min 내지 1 L/min; 100 μl/min 내지 1 L/min; 300 μl/min 내지 1 L/min; 500 μl/min 내지 1 L/min; 800 μl/min 내지 1 L/min; 10 μl/min 내지 800 μl/min; 50 μl/min 내지 800 μl/min; 100 μl/min 내지 800 μl/min; 300 μl/min 내지 800 μl/min; 500 μl/min 내지 800 μl/min; 10 μl/min 내지 500 μl/min; 50 μl/min 내지 500 μl/min; 100 μl/min 내지 500 μl/min; 300 μl/min 내지 500 μl/min; 10 μl/min 내지 300 μl/min; 50 μl/min 내지 300 μl/min; 100 μl/min 내지 300 μl/min; 10 μl/min 내지 100 μl/min; 50 μl/min 내지 100 μl/min; 또는 80 μl/min 내지 100 μl/min;의 유량으로 주입하는 것일 수 있다. 또는 채집 용액이 흐르는 것이 아닌 채집 전극 위에 정지한 후 채집이 끝난 뒤에 채집 용액 출구로 배출될 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 공기 중 입자의 농축 및 검출 방법은, 전기화학 기반의 측정법을 사용하기 때문에 기체상의 입자의 선택적 검출 및 정량적 측정이 가능하다.
일 실시형태에 있어서, 채집 공기의 유량 20 L/min 내지 500 L/min에서, 상기 공기 중 입자를 104 이상의 농축비율로 포집 및 농축하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 공기 중 입자의 농축 및 검출 방법은, 채집 전극 상단에 철사 전극을 설치한 전기식 공기 중 입자 농축기를 이용함으로써, 높은 유량 및 좁은 채집 면적에서의 높은 채집효율로 공기 중 입자를 빠르게 농축시킬 수 있다. 이를 통해 공기 중 바이러스, 박테리아, 포자 등을 신속히 측정 가능하다.
이하, 실시예 및 비교예에 의하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다.
단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
가로 145 mm, 세로 4 mm의 유동 입구를 가진 가로 170 mm, 세로 50 mm, 높이 8 mm인 본체 및 철사 전극을 가진 고 유량의 전기식 공기 중 입자 농축기(High flow rate electrostatic airborne particle concentrator; HEPC)를 준비하였다.
이를 이용하여 종래의 전기식 채집 장치보다 높은 유량, 높은 농축비 그리고 높은 채집효율을 전산 모사를 통해 확인했다.
종래의 전기식 채집 장치는 공기 중 입자를 채집하기 위해 채집 면적을 높이긴 하지만, 채집 후 측정을 하기 위해서는 입자의 농축이 필요하고 이를 위해 채집 전극의 면적이 작아야 하기에, 고 유량에서 높은 채집효율을 가지기는 매우 어렵다. 그렇기에 대부분 유량이 ~ 1 L/min이 넘지 않으며, 입자의 크기가 0.3 μm에서의 채집효율이 80%를 넘지 못한다. 이러할 경우, 센서를 이용한 감지에 필요한 농도를 채집하는 시간이 오래 걸린다.
본 발명의 실시예에 따른 고 유량의 전기식 공기 중 입자 농축기(HEPC)의 입구로 들어가는 유량은 20 L/min이며, 채집 전극의 전압은 -5.8 kV이었다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 고 유량의 전기식 공기 중 입자 농축기(HEPC)의 철사 전극에 따른 전기장 강도를 체크하기 위한 선을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 고 유량의 전기식 공기 중 입자 농축기(HEPC)의 전산모사를 통한 채집 전극 (각도가 수평면 기준 15°인 경우) 상단에서의 철사 전극 유무 및 전극 중심에서의 거리에 따른 전기장 세기 비교 결과 그래프이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 고 유량의 전기식 공기 중 입자 농축기는 좁은 면적의 채집 전극과 높은 유량에서의 채집효율을 높이기 위해 채집 전극 상단에 철사 전극을 설치함으로써 채집 전극과 철사 전극 사이 상대적으로 강화된 전기장이 발생하는 것을 확인하였다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 고 유량의 전기식 공기 중 입자 농축기(HEPC)의 철사 전극 유무에 따른 전기장 세기 변화 결과를 나타낸 도면이다.
도 10의 (a)는 철사 전극이 있으며 채집 전극의 각도가 15°인 경우, 도 10의 (b)는 철사 전극이 없으며 채집 전극이 15°인 경우, 도 10의 (c)는 철사 전극이 있으며 채집 전극이 수평인 경우이고, 도 10의 (d)는 철사가 없으며 채집 전극이 수평인 경우이다. 입구로 들어가는 유량은 20 L/min이며, 채집 전극의 전압은 -5.8 kV이다. 도 10의 (a), (c)와 같이 철사 전극이 있는 경우, 채집 전극과 철사 전극 사이 상대적으로 강화된 전기장이 발생하는 것을 확인할 수 있다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 고 유량의 전기식 공기 중 입자 농축기(HEPC)의 철사 전극 유무 및 채집 전극 형상에 따른 0.3 μm 입자의 움직임 변화를 나타낸 도면이다.
도 11의 (a)는 철사 전극이 있으며 채집 전극의 각도가 15°인 경우, 도 11의 (b)는 철사 전극이 없으며 채집 전극의 각도가 15°인 경우, 도 11의 (c)는 철사 전극이 있으며 채집 전극이 수평인 경우이고, 도 11의 (d)는 철사가 없으며 채집 전극이 수평인 경우이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 고 유량의 전기식 공기 중 입자 농축기(HEPC)의 철사 전극 유무 및 채집 전극 형상에 따른 0.3 μm 입자의 채집효율 결과 그래프이다.
전산모사는 일반적으로 전기식 채집 장치와 필터에서 채집효율이 가장 낮은 입자의 크기인 0.3 μm로 하였으며, 채집 결과는 철사 전극이 있을 시 90 %, 없을 시 50 %이다.
도 11 및 도 12를 참조하면, 채집 전극의 형상에 변화를 줌으로써, 채집 용액의 양을 더 줄일 수 있으며, 형상의 변화에 따른 채집효율은 최적의 결과에 비해 줄어들지만 80 %가 넘는 것을 확인하였다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 고 유량의 전기식 공기 중 입자 농축기(HEPC)의 입구와 채집 전극 사이 거리에 따른 유동장 변화 결과를 나타낸 도면이다.
도 13의 (a)는 높이 8 mm, 도 13의 (b)는 높이 38 mm, 도 13의 (c)는 높이 68 mm이다. 입구로 들어가는 유량은 20 L/min이며, 채집 전극의 전압은 -5.8 kV이다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 고 유량의 전기식 공기 중 입자 농축기(HEPC)의 입구와 채집 전극 사이 거리에 따른 0.3 μm 입자의 움직임 변화를 나타낸 도면이다.
도 14의 (a)는 높이 8 mm, 도 14의 (b)는 높이 38 mm, 도 14의 (c)는 높이 68 mm이다. 입구로 들어가는 유량은 20 L/min이며, 채집 전극의 전압은 -5.8 kV이다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 고 유량의 전기식 공기 중 입자 농축기(HEPC)의 입구와 채집 전극 사이 거리에 따른 입자 채집효율 결과를 나타낸 도면이다. 입구로 들어가는 유량은 20 L/min이며, 채집 전극의 전압은 -5.8 kV이다.
도 13 내지 도 15를 참조하면, 장치의 입구와 채집 전극 사이 거리는 멀어질수록 입자가 채집 전극에 다가가기 전에 유동이 중심에서 주변으로 퍼지기 때문에, 거리를 가깝게 했다. 0.3 μm의 채집 결과는 높이 8 mm에서 85%, 68 mm에서 75% 정도인 것을 확인하였다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.
100: 입자 농축기 110: 본체
120: 유동 입구 130: 채집 전극
140: 전도사 전극 150: 채집 용액 입구
160: 채집 용액 출구 170, 180: 유동 출구
120: 유동 입구 130: 채집 전극
140: 전도사 전극 150: 채집 용액 입구
160: 채집 용액 출구 170, 180: 유동 출구
Claims (20)
- 내부 공간을 형성하는 본체;
상기 본체 상부에 설치되어 공기 중 입자들이 상기 본체 내로 유입되는 유동 입구;
상기 본체 내 하부에 설치된 채집 전극;
상기 본체 내에서 상기 채집 전극 상부에 설치된 적어도 하나의 전도사 전극;
상기 본체 하부에 설치되어 채집 용액이 상기 본체 내로 유입되는 채집 용액 입구; 및
상기 채집 용액 입구 반대편에 설치되어 상기 본체 내를 흐른 후 배출되는 채집 용액 출구;
를 포함하고,
적어도 하나의 유동 출구;
를 더 포함하고,
상기 유동 출구는 상기 본체 하부, 상부 또는 둘 모두에 설치되는 것인,
전기식 공기 중 입자 농축기.
- 제1항에 있어서,
상기 유동 입구의 단면은 가로가 120 mm 내지 170 mm이고, 세로가 2 mm 내지 10 mm 인 것인,
전기식 공기 중 입자 농축기.
- 제1항에 있어서,
상기 채집 전극은, 고리 형태인 것인,
전기식 공기 중 입자 농축기.
- 제3항에 있어서,
상기 고리 형태는 직사각형, 정사각형, 원형 및 타원형으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것인,
전기식 공기 중 입자 농축기.
- 제1항에 있어서,
상기 채집 전극의 단면은 상기 본체 바닥면 기준 수평인 것인,
전기식 공기 중 입자 농축기.
- 제1항에 있어서,
상기 채집 전극의 단면은 단차있게 형성된 계단식 구조를 포함하고,
상기 계단식 구조는 상기 본체 바닥면 기준 0 ° 초과 30 ° 이하의 각도로 이루어진 것인,
전기식 공기 중 입자 농축기.
- 제6항에 있어서,
상기 계단식 구조는, 상기 채집 용액 입구 및 상기 채집 용액 출구 각각을 중심으로 대칭으로 이루어진 것인,
전기식 공기 중 입자 농축기.
- 제1항에 있어서,
상기 채집 전극은, 상기 유동 입구로부터 5 mm 내지 100 mm 이격되어 설치된 것인,
전기식 공기 중 입자 농축기.
- 제1항에 있어서,
상기 전도사 전극은, 관형의 긴 전극으로,
상기 본체를 가로질러 상기 유동 입구와 평행하게 설치되는 것인,
전기식 공기 중 입자 농축기.
- 제1항에 있어서,
상기 전도사 전극은,
철사, 스테인레스스틸사, 은사, 구리사, 니켈사, 티타늄사, 아연사 및 탄소섬유사 및 금속성 물질이 코팅된 전극으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것인,
전기식 공기 중 입자 농축기.
- 제1항에 있어서,
상기 채집 전극과 상기 전도사 전극의 거리는 2 mm 내지 6 mm 이격되어 설치된 것인,
전기식 공기 중 입자 농축기.
- 제1항에 있어서,
상기 채집 전극 및 상기 전도사 전극은 병렬로 연결된 것인,
전기식 공기 중 입자 농축기.
- 제1항에 있어서,
상기 본체는 상기 채집 용액 입구가 상기 채집 용액 출구보다 위에 있고 상기 채집 용액 출구가 아래에 있는 방향으로 0 ° 내지 10 ° 경사진 것인,
전기식 공기 중 입자 농축기.
- 제1항에 있어서,
상기 채집 용액은, 인산 완충 식염수(Phosphate Buffered Saline; PBS), 아스코르브산(Ascorbic acid; AA), 비타민 E 유사체 및 칼슘 클로라이드로 이루어진 식염수 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것인,
전기식 공기 중 입자 농축기.
- 제1항에 있어서,
상기 입자는, 바이러스, 박테리아, 진균 또는 기타 유래의 병원균으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것인,
전기식 공기 중 입자 농축기.
- 제15항에 있어서,
상기 바이러스는, 아데노 바이러스(adenovirus), 레비바이러스 엔테로박테리아 페이즈 MS2(levivirus, enterobacteria phase), 백시니아 바이러스(vaccinia virus), 헤르페스 단순 바이러스(herpes simplex virus), 파라인플루엔자 바이러스(parainfluenza virus), 라이노 바이러스(rhinovirus), 수두 바이러스(varicella Zoster Virus), 홍역 바이러스(measle virus), 호흡기 세포융합 바이러스(respiratory syncytial virus), 뎅기바이러스(Dengue virus), HIV(human immunodeficiency virus), 인플루엔자 바이러스, 코로나 바이러스(Covid-19 virus; SARS-CoV-2), 일반적인 감기 코로나 바이러스(HKU1, OC43, NL63, 229E), 중증급성 호흡기 증후군 코로나 바이러스(severe acute respiratory syndrome-related coronavirus; SARS-CoV), 중동 호흡기 증후군 코로나바이러스(middle east respiratory syndrome coronavirus; MERS-CoV) 및 이들 바이러스의 변종 바이러스로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것인,
전기식 공기 중 입자 농축기.
- 제16항에 있어서,
상기 전기식 공기 중 입자 농축기는,
상기 채집 공기의 유량 20 L/min 내지 500 L/min에서, 상기 공기 중 입자를 104 이상의 농축비율로 포집 및 농축하는 것인,
전기식 공기 중 입자 농축기.
- 삭제
- 제1항의 전기식 공기 중 입자 농축기를 이용하고,
상기 채집 용액을 상기 채집 용액 입구로 주입하는 단계;
단극 하전기(unipolar charger)를 이용하여 전도사 전극 및 채집 전극 사이의 전기장에 의해 상기 공기 중 입자를 포집 및 농축하는 단계; 및
전기화학 측정을 진행하여 상기 입자를 검출하는 단계;
를 포함하는,
공기 중 입자의 농축 및 검출 방법.
- 제19항에 있어서,
상기 채집 용액을 상기 채집 용액 입구로 주입하는 단계는,
상기 채집 용액을 10 μl/min 내지 1 L/min의 유량으로 주입하는 것인,
공기 중 입자의 농축 및 검출 방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220061394A KR102534361B1 (ko) | 2022-05-19 | 2022-05-19 | 전기식 공기 중 입자 농축기 및 공기 중 입자의 농축 및 검출 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220061394A KR102534361B1 (ko) | 2022-05-19 | 2022-05-19 | 전기식 공기 중 입자 농축기 및 공기 중 입자의 농축 및 검출 방법 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR102534361B1 true KR102534361B1 (ko) | 2023-05-26 |
Family
ID=86536373
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020220061394A KR102534361B1 (ko) | 2022-05-19 | 2022-05-19 | 전기식 공기 중 입자 농축기 및 공기 중 입자의 농축 및 검출 방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102534361B1 (ko) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH05264505A (ja) * | 1992-01-16 | 1993-10-12 | Ion Track Instr Inc | 気体中の成分検出の方法とその装置 |
| KR102314957B1 (ko) * | 2021-01-22 | 2021-10-19 | 연세대학교 산학협력단 | 공기 중 바이오입자의 모니터링 장치 |
-
2022
- 2022-05-19 KR KR1020220061394A patent/KR102534361B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH05264505A (ja) * | 1992-01-16 | 1993-10-12 | Ion Track Instr Inc | 気体中の成分検出の方法とその装置 |
| KR102314957B1 (ko) * | 2021-01-22 | 2021-10-19 | 연세대학교 산학협력단 | 공기 중 바이오입자의 모니터링 장치 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US20100001184A1 (en) | Miniaturized ultrafine particle sizer and monitor | |
| US8372183B2 (en) | Detection system for airborne particles | |
| WO2013175548A1 (ja) | 粒子数測定器 | |
| HK1090874A1 (en) | Dust collector | |
| US8250903B2 (en) | Biological particle collector and method for collecting biological particles | |
| CN104576287B (zh) | 一种大气压接口的离子源系统以及质谱仪 | |
| CN107138277B (zh) | 集成自由离子捕集功能的单极性颗粒物荷电装置及方法 | |
| KR20170117960A (ko) | 미세먼지 농도 측정시스템 | |
| US20180200726A1 (en) | Device for collecting particles contained in an aerosol, comprising electrometres to determine nanoparticle concentration and particle size | |
| JP5450897B2 (ja) | 空気前処理デバイス | |
| US20180200728A1 (en) | Method for the selective purification of aerosols | |
| GB2423414A (en) | Ion mobility spectrometer with parallel-running drift gas and ion carrier gas flow | |
| KR102534361B1 (ko) | 전기식 공기 중 입자 농축기 및 공기 중 입자의 농축 및 검출 방법 | |
| FI113406B (fi) | Laite aerosolipartikkelien kokojakauman määrittämiseksi | |
| CN101881752A (zh) | 微型二维离子迁移谱仪 | |
| CN101915801B (zh) | 一种离子化气体探测装置 | |
| CN109085101B (zh) | 一种烟气可溶物连续在线监测分析方法及系统 | |
| CN101599407A (zh) | 一种阵列式微法拉第筒 | |
| KR101558480B1 (ko) | 섬유상 입자 분리 장치 및 분리 방법 | |
| JP6197028B2 (ja) | 化学的分析方法、および化学的分析構造 | |
| US20110265653A1 (en) | Device for collecting particles that have a strong electron affinity | |
| CN210221897U (zh) | 低零点飘移的pid传感器电离室 | |
| CN105247652B (zh) | 质量分析装置 | |
| US8216341B2 (en) | System and method for locating sparks in electrostatic precipitators | |
| CN209043688U (zh) | 一种附着于液滴的颗粒物捕捉装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |