KR102545148B1 - 형광염색을 이용한 미세플라스틱의 질량추정방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 미세플라스틱의 질량을 추정하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, 종래, 일반적으로, 미세플라스틱의 정량분석은 대부분 현미경으로 관찰하여 계수하는 방법(FT-IR spectroscopy, raman spectroscopy)과 열분해를 기반으로 한 질량분석 방법(Py GC-MS)에 의해 이루어지고 있으나, 이를 위한 분석기기의 가격이 매우 고가인 데 더하여, 미세플라스틱을 계수하는 방법은 분석에 소요되는 시간이 매우 길고, 열분해를 이용하는 방법은 파괴적 분석방법인 한계가 있었던 종래기술의 미세플라스틱 분석방법들의 문제점을 해결하기 위해, 미세플라스틱을 나일레드(Nile red) 용액으로 염색하고, 염색된 미세플라스틱을 계량하여 카메라로 촬영하며, 이미지 분석을 통해 질량에 대응하는 형광강도를 수치화한 DB를 생성하고, 측정된 미지시료의 형광강도를 통해 질량값을 추정하도록 구성됨으로써, 기존의 방법들에 비해 보다 효율적으로 미세플라스틱의 질량을 정량화할 수 있는 동시에, 분석에 요구되는 비용 및 시간을 절감하여 다량의 분석시료가 발생하는 실험에도 용이하게 적용 가능한 장점을 가지는 형광염색을 이용한 미세플라스틱의 질량추정방법이 제공된다.
Description
본 발명은 미세플라스틱의 질량을 추정하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는, 종래, 일반적으로, 미세플라스틱의 정량분석은 대부분 현미경으로 관찰하여 계수하는 방법(FT-IR spectroscopy, raman spectroscopy)과 열분해를 기반으로 한 질량분석 방법(Py GC-MS)에 의해 이루어지고 있으나, 이를 위한 분석기기의 가격이 매우 고가임으로 인해 일반적인 실험실 환경에서 사용하기에는 무리가 있는 데 더하여, 미세플라스틱을 계수하는 기존의 분석방법은 분석에 소요되는 시간이 매우 길고, 열분해를 이용하는 방법은 파괴적 분석방법이라는 한계가 있었던 종래기술의 미세플라스틱 분석방법들의 문제점을 해결하기 위해, 형광염색(Fluorescent Staining)을 이용하여 기존의 방법들에 비해 보다 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 미세플라스틱의 질량을 효율적으로 정량화할 수 있도록 구성되는 형광염색을 이용한 미세플라스틱의 질량추정방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은, 상기한 바와 같이 분석기기의 가격이 매우 고가인 데 더하여 미세플라스틱을 계수하는 방법은 분석에 소요되는 시간이 매우 길고 열분해를 이용하는 방법은 파괴적 분석방법인 한계가 있었던 종래기술의 미세플라스틱 분석방법들의 문제점을 해결하기 위해, 미세플라스틱을 나일레드(Nile red) 용액으로 염색하고, 염색된 미세플라스틱을 계량하여 카메라로 촬영하며, 이미지 분석을 통해 질량에 대응하는 형광강도를 수치화한 DB를 생성하고, 측정된 미지시료의 형광강도를 통해 질량값을 추정하도록 구성됨으로써, 형광염색을 이용하여 기존의 방법들에 비해 보다 효율적으로 미세플라스틱의 질량을 정량화할 수 있는 동시에, 분석에 요구되는 비용 및 시간을 절감하여 다량의 분석시료가 발생하는 실험에도 용이하게 적용 가능한 장점을 가지는 형광염색을 이용한 미세플라스틱의 질량추정방법에 관한 것이다.
일반적으로, 미세플라스틱은 크기가 5mm 이하인 플라스틱 조각(입자)을 의미하며, 최근 환경오염 문제가 전세계적으로 심각한 문제로 대두됨에 따라 미세플라스틱에 대한 위험성이 알려지면서 물이나 어패류의 체내 등에 존재하는 미세플라스틱의 정성 및 정량분석을 신속하고 정확하게 수행할 수 있도록 하기 위한 기술에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다.
즉, 예를 들면, 한국 등록특허공보 제10-2447224호의 "미세 입자의 정성 및 정량 분석 장치" 및 한국 등록특허공보 제10-2296894호의 "실시간 미세플라스틱 분석장치" 등에 제시된 바와 같이, 종래, 미세플라스틱의 정량분석 및 정성분석을 위하여 분석과정을 보다 신속하고 정확하게 수행할 수 있도록 하기 위한 다양한 장치 및 방법들이 제시된 바 있으나, 상기한 바와 같은 종래기술의 분석장치 및 방법들은 다음과 같은 문제가 있는 것이었다.
더 상세하게는, 종래, 일반적으로, 미세플라스틱의 정량분석은 대부분 현미경으로 관찰하여 계수하는 방법(FT-IR spectroscopy, raman spectroscopy)과 열분해를 기반으로 한 질량분석 방법(Py GC-MS)에 의해 이루어지고 있으나, 이를 위한 분석기기의 가격이 매우 고가임으로 인해 일반적인 실험실 환경에서 사용하기에는 어려운 문제가 있었다.
이에 더하여, 미세플라스틱을 계수하는 기존의 분석방법은 분석에 소요되는 시간이 매우 길고, 열분해를 이용하는 방법은 파괴적 분석방법이라는 점에서 명확한 한계가 있는 것이었다.
따라서 상기한 바와 같은 종래기술의 미세플라스틱의 정량분석 장치 및 방법들의 한계를 해결하기 위하여는 기존의 미세플라스틱 분석장치 및 방법들에 비해 보다 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 미세플라스틱의 질량을 효율적으로 정량화할 수 있도록 구성되는 새로운 구성의 미세플라스틱 분석방법을 제시하는 것이 바람직하나, 아직까지 그러한 요구를 모두 만족시키는 장치나 방법은 제시되지 못하고 있는 실정이다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 따라서 본 발명의 목적은, 일반적으로, 미세플라스틱의 정량분석은 대부분 현미경으로 관찰하여 계수하는 방법(FT-IR spectroscopy, raman spectroscopy)과 열분해를 기반으로 한 질량분석 방법(Py GC-MS)에 의해 이루어지고 있으나, 이를 위한 분석기기의 가격이 매우 고가임으로 인해 일반적인 실험실 환경에서 사용하기에는 무리가 있는 데 더하여, 미세플라스틱을 계수하는 기존의 분석방법은 분석에 소요되는 시간이 매우 길고, 열분해를 이용하는 방법은 파괴적 분석방법이라는 한계가 있었던 종래기술의 미세플라스틱 분석방법들의 문제점을 해결하기 위해, 형광염색(Fluorescent Staining)을 이용하여 기존의 방법들에 비해 보다 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 미세플라스틱의 질량을 효율적으로 정량화할 수 있도록 구성되는 형광염색을 이용한 미세플라스틱의 질량추정방법을 제시하고자 하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 상기한 바와 같이 분석기기의 가격이 매우 고가인 데 더하여 미세플라스틱을 계수하는 방법은 분석에 소요되는 시간이 매우 길고 열분해를 이용하는 방법은 파괴적 분석방법인 한계가 있었던 종래기술의 미세플라스틱 분석방법들의 문제점을 해결하기 위해, 미세플라스틱을 나일레드(Nile red) 용액으로 염색하고, 염색된 미세플라스틱을 계량하여 카메라로 촬영하며, 이미지 분석을 통해 질량에 대응하는 형광강도를 수치화한 DB를 생성하고, 측정된 미지시료의 형광강도를 통해 질량값을 추정하도록 구성됨으로써, 형광염색을 이용하여 기존의 방법들에 비해 보다 효율적으로 미세플라스틱의 질량을 정량화할 수 있는 동시에, 분석에 요구되는 비용 및 시간을 절감하여 다량의 분석시료가 발생하는 실험에도 용이하게 적용 가능한 장점을 가지는 형광염색을 이용한 미세플라스틱의 질량추정방법을 제시하고자 하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따르면, 형광염색을 이용한 미세플라스틱의 질량추정방법에 있어서, 나일레드(Nile red) 용액을 이용하여 미세플라스틱 시료를 염색하는 처리가 수행되는 염색단계; 염색된 상기 미세플라스틱 시료를 질량별로 분류하고 형광이미지를 촬영하는 처리가 수행되는 형광이미지 촬영단계; 촬영된 형광이미지에 대한 이미지 분석을 통해 형광강도를 수치화하여 미세플라스틱의 질량과 형광강도의 상관관계에 대한 데이터베이스(DB)를 구축하는 처리가 수행되는 형광이미지 분석단계; 및 미지의 미세플라스틱 시료에 대하여 상기 염색단계와 상기 형광이미지 촬영단계의 처리를 수행하여 얻어진 형광이미지의 형광강도를 상기 데이터베이스에 저장된 데이터와 비교하여 질량값을 추정하는 처리가 수행되는 질량추정단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 형광염색을 이용한 미세플라스틱의 질량추정방법이 제공된다.
여기서, 상기 염색단계는, 아세톤 용매에 나일레드를 용해시켜 미리 정해진 농도의 나일레드 염색용액을 제작하고, 미리 정해진 질량의 미세플라스틱 입자를 상기 나일레드 염색용액으로 염색하며, 미리 설정된 온도와 시간 및 속도에 따라 교반한 후 냉각하여 상기 미세플라스틱 시료를 제작하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 형광이미지 촬영단계는, 상기 염색단계를 통해 염색이 완료된 상기 미세플라스틱 시료를 진공여과 과정을 통해 용액으로부터 분리하여 건조하고, 건조된 상기 미세플라스틱 시료를 미리 정해진 설정에 따라 질량별로 각각 분류하며, 각각의 질량별로 분류된 상기 미세플라스틱 시료에 대하여 각각 형광이미지를 촬영하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 형광이미지 촬영단계는, 470nm 파장의 청색 가시광을 이용하여 상기 미세플라스틱 시료의 형광이미지를 촬영하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
더욱이, 상기 형광이미지 분석단계는, ImageJ를 포함하는 이미지처리 소프트웨어를 이용하여, 상기 미세플라스틱 시료에 대한 형광이미지의 평균회색값(Mean Gray Value ; MGV)를 구하는 것에 의해 형광강도를 수치화하여 미세플라스틱의 질량에 따른 형광강도의 상관관계를 산출하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 질량추정단계는, 측정하고자 하는 미세플라스틱 미지시료를 나일레드로 염색하여 형광이미지를 촬영한 후 형광강도를 분석하고, 상기 데이터베이스에 저장된 미세플라스틱의 질량과 형광강도 사이의 상관관계에 근거하여 미리 정해진 기준과 상기 미지시료의 형광강도를 비교하여 질량값을 추정하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 질량추정단계는, 딥러닝(Deep Learning)이나 머신러닝(Machine Learning), 또는, 인공신경망(Artificial Neural Network ; ANN), 순환신경망(Recurrent Neural Network ; RNN) 컨벌루션 신경망(Convolutional Neural Network ; CNN)을 포함하는 인공지능 학습 알고리즘을 이용하여, 미세플라스틱 질량과 형광강도의 상관관계에 대한 학습을 수행하고 학습결과에 근거하여 미세플라스틱 미지시료의 질량을 추정하는 처리가 자동으로 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
더욱이, 본 발명에 따르면, 미세플라스틱 질량측정장치에 있어서, 측정하고자 하는 미세플라스틱 시료에 대한 형광이미지를 수신하는 처리가 수행되도록 이루어지는 입력부; 상기 입력부를 통해 입력된 형광이미지를 데이터베이스에 미리 저장된 데이터와 비교하여 미세플라스틱의 질량을 추정하는 처리가 수행되도록 이루어지는 이미지분석 처리부; 및 상기 입력부를 통해 입력되는 형광이미지 및 상기 분석부의 분석결과를 포함하는 각종 데이터를 출력하고 시각적으로 표시하는 처리가 수행되도록 이루어지는 출력부를 포함하여 구성되고, 상기 이미지분석 처리부는, 상기에 기재된 형광염색을 이용한 미세플라스틱의 질량추정방법을 이용하여 미세플라스틱의 질량을 추정하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 미세플라스틱 질량측정장치가 제공된다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기에 기재된 형광염색을 이용한 미세플라스틱의 질량추정방법을 이용하여, 측정하고자 하는 미세플라스틱 시료에 대한 형광이미지를 수신하고 데이터베이스에 미리 저장된 데이터와 비교하여 미세플라스틱의 질량을 추정하는 처리를 컴퓨터를 통해 실행시키도록 구성되는 프로그램이 기록된 컴퓨터에서 판독 가능한 기록매체가 제공된다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 미세플라스틱을 나일레드(Nile red) 용액으로 염색하고, 염색된 미세플라스틱을 계량하여 카메라로 촬영하며, 이미지 분석을 통해 질량에 대응하는 형광강도를 수치화한 DB를 생성하고, 측정된 미지시료의 형광강도를 통해 질량값을 추정하도록 구성되는 형광염색을 이용한 미세플라스틱의 질량추정방법이 제공됨으로써, 형광염색을 이용하여 기존의 방법들에 비해 보다 효율적으로 미세플라스틱의 질량을 정량화할 수 있는 동시에, 분석에 요구되는 비용 및 시간을 절감하여 다량의 분석시료가 발생하는 실험에도 용이하게 적용할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 형광염색을 이용하여 기존의 방법들에 비해 보다 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 미세플라스틱의 질량을 효율적으로 정량화할 수 있도록 구성되는 형광염색을 이용한 미세플라스틱의 질량추정방법이 제공됨으로써, 분석기기의 가격이 매우 고가임으로 인해 일반적인 실험실 환경에서 사용하기에는 무리가 있는 데 더하여, 현미경으로 관찰하여 계수하는 기존의 분석방법은 분석에 소요되는 시간이 매우 길고, 열분해를 기반으로 하는 질량분석방법은 파괴적 분석방법이라는 한계가 있었던 종래기술의 미세플라스틱 분석방법들의 문제점을 해결할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 형광염색을 이용한 미세플라스틱의 질량추정방법의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 플로차트이다.
도 2는 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 형광염색을 이용한 미세플라스틱의 질량추정방법의 전체적인 처리과정을 개략적으로 나타내는 개념도이다.
도 3은 염색이 완료된 미세플라스틱에 대하여 형광이미지 촬영을 수행하기 위한 실험장치의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 미세플라스틱의 질량과 형광이미지 강도의 상관관계를 그래프로 나타내는 도면이다.
도 5는 미세플라스틱 중합체의 종류에 따른 질량과 형광강도 사이의 상관관계를 분석한 결과를 그래프로 각각 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 형광염색을 이용한 미세플라스틱의 질량추정방법을 이용하여 구성되는 미세플라스틱 질량측정장치의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 2는 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 형광염색을 이용한 미세플라스틱의 질량추정방법의 전체적인 처리과정을 개략적으로 나타내는 개념도이다.
도 3은 염색이 완료된 미세플라스틱에 대하여 형광이미지 촬영을 수행하기 위한 실험장치의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 미세플라스틱의 질량과 형광이미지 강도의 상관관계를 그래프로 나타내는 도면이다.
도 5는 미세플라스틱 중합체의 종류에 따른 질량과 형광강도 사이의 상관관계를 분석한 결과를 그래프로 각각 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 형광염색을 이용한 미세플라스틱의 질량추정방법을 이용하여 구성되는 미세플라스틱 질량측정장치의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 형광염색을 이용한 미세플라스틱의 질량추정방법의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.
여기서, 이하에 설명하는 내용은 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예일 뿐이며, 본 발명은 이하에 설명하는 실시예의 내용으로만 한정되는 것은 아니라는 사실에 유념해야 한다.
또한, 이하의 본 발명의 실시예에 대한 설명에 있어서, 종래기술의 내용과 동일 또는 유사하거나 당업자의 수준에서 용이하게 이해하고 실시할 수 있다고 판단되는 부분에 대하여는, 설명을 간략히 하기 위해 그 상세한 설명을 생략하였음에 유념해야 한다.
계속해서, 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 형광염색을 이용한 미세플라스틱의 질량추정방법의 구체적인 내용에 대하여 설명한다.
여기서, 미세플라스틱은 석유와 바이오매스에서 추출한 탄화수소로 구성된 소수성 물질이며, 나일레드 염료는 소수성 환경에서만 강한 형광을 발하는 특성을 가지므로, 이를 이용하면 나일레드로 미세플라스틱을 염색하여 미세플라스틱 시각화 및 식별을 향상시킬 수 있다.
즉, 염색된 미세플라스틱은 UV/VIS 파장대의 광원으로부터 빛을 조사받으면 형광을 방출하고, 이를 카메라를 통해 촬영하여 이미지 분석을 실시한 다음, 이미지로부터 획득한 형광강도와 이미 알려진 미세플라스틱 질량값 사이의 상관관계를 수식화하여 미지시료의 형광이미지로부터 질량값을 도출할 수 있다.
이를 위해, 본 발명에서는, 후술하는 바와 같이, 5가지 유형의 미세플라스틱(PP, LDPE, HDPE, PET, PVC)를 나일레드 용액으로 염색한 후 일정한 질량으로 나누어 시료를 제작하고 사진촬영을 통해 형광 이미지를 획득하였다.
또한, 이미지처리 소프트웨어(ImageJ)를 사용하여 상대적 형광강도를 수치화하기 위해 사진의 평균회색값(Mean Gray Value ; MGV)을 계산하고 미세플라스틱 질량과 MGV, 두 변수간의 상관계수분석을 수행하였다.
아울러, 상관분석 결과를 수치적으로 평가하기 위하여 피어슨 상관계수를 계산하였으며, 그 결과, 모든 유형의 미세플라스틱에 높은 양의 상관관계를 보이는 것으로 나타났고(PP; r = 0.9930, LDPE; r = 0.9947, HDPE; r = 0.9998, PET; r = 0.9830, PVC; r = 0.9937), 따라서 본 발명에 따른 질량추정방법은 기준질량범위가 확장된 DB 구축을 통해 신뢰성 있는 미지시료의 질량 추정이 가능할 것으로 기대된다.
더 상세하게는, 먼저, 도 1을 참조하면, 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 형광염색을 이용한 미세플라스틱의 질량추정방법의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 플로차트이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 형광염색을 이용한 미세플라스틱의 질량추정방법은, 크게 나누어, 나일레드(Nile red) 용액을 이용하여 미세플라스틱을 염색하는 처리가 수행되는 염색단계(S10)와, 염색된 미세플라스틱을 계량하여 카메라로 촬영하는 처리가 수행되는 형광이미지 촬영단계(S20)와, 이미지 분석을 통해 질량에 대응하는 형광강도를 수치화하여 미세플라스틱의 질량과 형광강도의 상관관계에 대한 데이터베이스(DB)를 생성하는 처리가 수행되는 형광이미지 분석단계(S30)와, 측정된 미지시료의 형광강도를 데이터베이스에 저장된 데이터와 비교하여 질량값을 추정하는 처리가 수행되는 질량추정단계(S40)를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 플라스틱은 탄화수소로 구성된 고분자 물질이며 소수성의 특징을 가지고, 나일레드는 소수성을 가지는 지용성 염료로 미세플라스틱과 반응시 표면에 흡착되어 미세플라스틱이 형광을 띠게 되므로, 이에, 본 발명에서는, 환경시료 중 5mm 크기 이하의 미세플라스틱을 빠르게 검출하기 위하여 형광염색을 이용하였다.
즉, 본 발명에서는, 환경중 가장 많이 발견되는 미세플라스틱 중합체 5종(LDPE, HDPE, PP, PVC, PET)을 대상으로 형광염색을 진행하였으며, 이때, 나일레드 염색법의 표준화된 염색절차 및 조건이 부재하여 연구자마다 다른 염료농도, 용매, 배양시간 및 염색온도 등의 조건을 적용하고 있으나, 일반적으로 가장 많이 사용된 조건을 고려하여 형광 미세플라스틱을 제작하였다.
더 상세하게는, 도 2를 참조하면, 도 2는 도 1에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 형광염색을 이용한 미세플라스틱의 질량추정방법의 전체적인 처리과정을 개략적으로 나타내는 개념도이다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 상기한 나일레드 용액을 이용하여 미세플라스틱을 염색하는 염색단계(S10)는, 아세톤 용매에 나일레드를 용해시켜 100㎍/mL 농도의 나일레드 염색용액을 제작하고, 1g의 미세플라스틱 입자를 나일레드 용액으로 염색하는 처리가 수행되도록 구성될 수 있다.
이때, 진탕항온기를 이용하여 50℃로 온도를 설정하고 30분간 150 RPM으로 교반하며, 가열로 인해 느슨해진 미세플라스틱 중합체의 사슬구조 사이에 물리적으로 흡착된 나일레드 분자가 쉽게 탈착되지 않도록 얼음물로 냉각하여 하나의 입자로 제작하는 처리가 수행되도록 구성될 수 있다.
다음으로, 미세플라스틱의 형광이미지를 촬영하는 형광이미지 촬영단계(S20)는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 염색단계(S10)를 통해 염색이 완료된 미세플라스틱을 진공여과 과정을 통해 용액으로부터 분리하여 건조한 후 일정한 질량(10, 25, 50, 100 mg)으로 각각 계랑하여 분류하고, 각각의 질량에 대하여 형광이미지 촬영을 진행하는 처리가 수행되도록 구성될 수 있다.
즉, 도 3을 참조하면, 도 3은 염색이 완료된 미세플라스틱에 대하여 형광이미지 촬영을 수행하기 위한 실험장치의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 카메라(11)와 가시광선 램프(12) 사이에 염색된 미세플라스틱 시료(13)를 위치시켜 각각의 질량별로 형광이미지를 촬영하고, 촬영된 형광이미지에 대한 이미지 분석을 통해 형광이미지 강도를 수치화하여 질량과의 상관관계에 대한 데이터베이스를 구축할 수 있다.
여기서, 형광은 파장이 짧은 빛을 흡수하여 흡수된 파장보다 긴 파장의 빛을 내는 현상을 의미하며, 나일레드로 염색된 미세플라스틱 시료는 형광현미경이나 UV/가시광선 램프에서 빛을 조사하여 여기시켜 형광을 분석해야 한다.
또한, 나일레드로 염색된 미세플라스틱에 사용되는 여기 파장은 254 ~ 580nm로 종래기술에 다양하게 제시되어 있으나, 본 발명에서는, 미세플라스틱 입자 감지에 가장 많이 사용되는 파장이 450 ~ 490nm의 여기 파장이라는 점에 기반하여 470nm 파장의 청색 가시광을 이용하여 미세플라스틱의 형광 이미징을 수행하였다.
계속해서, 상기한 형광이미지 분석단계(S30)는, 도 1 내지 도 3에 나타낸 바와 같이 하여 형광이미지 촬영 후 이미지분석을 통해 형광강도를 수치화하는 처리가 수행되며, 이를 위해, 본 발명의 실시예에서는, "ImageJ(National Institutes of Health, USA)"라는 오픈소스 기반 이미지처리 소프트웨어를 통해 미세플라스틱 이미지의 형광강도를 수치화하는 처리가 수행되도록 구성될 수 있다.
더 상세하게는, "ImageJ"에서 이미지의 형광강도를 상대적인 수치로 나타내는 방법은 평균회색값(Mean Gray Value ; MGV)를 구하는 것으로, 이는 RGB 이미지를 그레이 스케일로 변환한 후 0(검은색)에서 255(흰색) 범위에 걸쳐 픽셀의 평균강도를 반영한 수치로 관심영역 내에 해당하는 모든 픽셀의 회색값 합계를 관심영역의 픽셀 수로 나눈 값이다.
또한, 미세플라스틱의 입자크기가 같은 경우 미세플라스틱의 질량은 개수에 비례하므로, 동일한 픽셀 수를 가지는 영역에 대하여 같은 입자크기의 미세플라스틱 개수가 많아지면 MGV값이 높게 나타난다.
즉, 도 4를 참조하면, 도 4는 미세플라스틱의 질량과 형광이미지 강도의 상관관계를 그래프로 나타내는 도면이다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 본 발명에서는, 미세플라스틱의 질량과 형광이미지의 상대적 강도가 비례하는 것에 근거하여, 미세플라스틱의 질량을 기준으로 미세플라스틱 형광이미지의 강도를 수치화하여 미세플라스틱의 질량과 형광이미지 강도의 상관관계에 대한 데이터베이스를 구축하였다.
더 상세하게는, 질량-이미지 형광강도 상관관계의 수식화 과정은, 미지시료의 형광강도로부터 질량값을 도출하기 위해서 질량-형광강도 상관관계를 수식화하는 과정이 필요하다.
즉, 도 5를 참조하면, 도 5는 미세플라스틱 중합체의 종류에 따른 질량과 형광강도 사이의 상관관계를 분석한 결과를 그래프로 각각 나타낸 도면이다.
여기서, 도 5에 있어서, 도 5(a)는 고밀도 폴리에틸렌(High Density Polyethylene ; HDPE), 도 5(b)는 저밀도 폴리에틸렌(Low Density Polyethylene ; LDPE), 도 5(c)는 폴리프로필렌(polypropylene ; PP), 도 5(d)는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate ; PET), 도 5(e)는 폴리염화비닐(polyvinyl chloride ; PVC)에 대한 분석결과를 각각 나타내고 있다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 본 발명에서는, 상관분석의 결과를 수치적으로 평가하기 위하여 피어슨 상관계수를 계산하였으며, 그 결과, 모든 유형의 미세플라스틱에 높은 양의 상관관계를 보이는 것으로 나타났다(PP; r = 0.9930, LDPE; r = 0.9947, HDPE; r = 0.9998, PET; r = 0.9830, PVC; r = 0.9937).
따라서 상기한 바와 같이 하여, 분석할 미지시료를 나일레드로 염색하여 촬영한 후 형광강도 분석을 수행하면 데이터베이스에 미리 저장된 미세플라스틱의 종류별 기준 질량값을 이용하여 미지시료에 대한 미세플라스틱의 질량을 추정할 수 있다.
즉, 상기한 질량추정단계(S40)는, 측정하고자 하는 미세플라스틱 시료를 나일레드로 염색하여 향광이미지를 촬영한 후 형광강도를 분석하고, 상기한 바와 같이 하여 구축된 데이터베이스에 저장된 내용에 근거하여 기준질량에 따른 형광강도와 미지시료에 대한 형광이미지의 강도를 비교하여 질량값을 추정하는 처리가 수행되도록 구성될 수 있다.
여기서, 상기한 바와 같이 "ImageJ"를 이용하여 이미지의 형광강도를 수치화하고 미세플라스틱의 질량과 형광이미지의 상관관계에 대한 데이터베이스를 구축하는 처리과정 및 데이터베이스의 내용에 근거하여 미지시료의 질량을 추정하는 방법 등에 대한 보다 구체적인 내용에 대하여는 종래기술의 이미지 분석장치 및 방법과 미세플라스틱 분석장치 및 방법 등을 참조하여 당업자가 적절히 구현할 수 있는 사항이므로, 이에, 본 발명에서는, 설명을 간략히 하기 위해, 상기한 바와 같이 종래기술의 내용 등으로부터 당업자에게 자명하거나 종래기술의 문헌 등을 참조하여 당업자가 용이하게 이해하고 실시할 수 있는 내용에 대하여는 그 상세한 설명을 생략하였음에 유념해야 한다.
따라서 상기한 바와 같이 하여 본 발명의 실시예에 따른 형광염색을 이용한 미세플라스틱의 질량추정방법 및 미세플라스틱 질량측정장치를 구현할 수 있으며, 그것에 의해, 본 발명에 따르면, 형광염색을 이용하여 기존의 방법들에 비해 보다 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 미세플라스틱의 질량을 신속하고 정확하게 정량화할 수 있다.
즉, 도 6을 참조하면, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 형광염색을 이용한 미세플라스틱의 질량추정방법을 이용하여 구성되는 미세플라스틱 질량측정장치(60)의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 6에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 미세플라스틱 질량측정장치(60)는, 크게 나누어, 측정하고자 하는 미세플라스틱 시료에 대한 형광이미지를 수신하는 처리가 수행되도록 이루어지는 입력부(61)와, 입력부(61)를 통해 입력된 형광이미지를 데이터베이스에 미리 저장된 데이터와 비교하여 미세플라스틱의 질량을 추정하는 처리가 수행되도록 이루어지는 이미지분석 처리부(62) 및 입력부(61)를 통해 입력되는 형광이미지 및 이미지분석 처리부(62)의 분석결과를 포함하는 각종 데이터를 출력하고 시각적으로 표시하는 처리가 수행되도록 이루어지는 출력부(63)를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 상기한 이미지분석 처리부(62)는, 상기에 기재된 본 발명의 실시예에 따른 형광염색을 이용한 미세플라스틱의 질량추정방법을 이용하여 미세플라스틱의 질량을 추정하는 처리가 수행되도록 구성될 수 있다.
더욱이, 본 발명의 실시예에 따른 형광염색을 이용한 미세플라스틱의 질량추정방법은, 예를 들면, 딥러닝(Deep Learning)이나 머신러닝(Machine Learning), 또는, 인공신경망(Artificial Neural Network ; ANN), 순환신경망(Recurrent Neural Network ; RNN) 컨벌루션 신경망(Convolutional Neural Network ; CNN) 등과 같이, 인공지능 학습 알고리즘을 이용하여 형광이미지 강도와 미세플라스틱 질량의 상관관계에 대한 학습을 수행하고, 학습결과에 근거하여 미세플라스틱 시료의 질량을 추정하는 처리가 자동으로 수행되도록 구성될 수도 있는 등, 즉, 본 발명은 반드시 상기한 실시예에 제시된 내용으로만 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 취지 및 본질을 벗어나지 않는 범위 내에서 당업자에 의해 필요에 따라 다양하게 수정 및 변경하여 구성될 수 있는 것임에 유념해야 한다.
즉, 본 발명에 따르면, 상기에 기재된 형광염색을 이용한 미세플라스틱의 질량추정방법을 이용하여, 측정하고자 하는 미세플라스틱 시료에 대한 형광이미지를 수신하고 데이터베이스에 미리 저장된 데이터와 비교하여 미세플라스틱의 질량을 추정하는 처리를 컴퓨터를 통해 실행시키도록 구성되는 컴퓨터 프로그램의 형태로 구형될 수도 있으며, 그것에 의해, 별도의 하드웨어를 구현할 필요 없이 보다 간단한 구성 및 저렴한 비용으로 구성될 수 있다.
이상, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명에 따른 형광염색을 이용한 미세플라스틱의 질량추정방법의 상세한 내용에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 기재된 내용으로만 한정되는 것은 아니며, 따라서 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 설계상의 필요 및 기타 다양한 요인에 따라 여러 가지 수정, 변경, 결합 및 대체 등이 가능한 것임은 당연한 일이라 하겠다.
11. 카메라
12. 가시광선 램프
13. 미세플라스틱 시료
60. 미세플라스틱 질량측정장치
61. 입력부
62. 이미지분석 처리부
63. 출력부
12. 가시광선 램프
13. 미세플라스틱 시료
60. 미세플라스틱 질량측정장치
61. 입력부
62. 이미지분석 처리부
63. 출력부
Claims (9)
- 형광염색을 이용한 미세플라스틱의 질량추정방법에 있어서,
나일레드(Nile red) 용액을 이용하여 미세플라스틱 시료를 염색하는 처리가 수행되는 염색단계;
염색된 상기 미세플라스틱 시료를 질량별로 분류하고 형광이미지를 촬영하는 처리가 수행되는 형광이미지 촬영단계;
촬영된 형광이미지에 대한 이미지 분석을 통해 형광강도를 수치화하여 미세플라스틱의 질량과 형광강도의 상관관계에 대한 데이터베이스(DB)를 구축하는 처리가 수행되는 형광이미지 분석단계; 및
미지의 미세플라스틱 시료에 대하여 상기 염색단계와 상기 형광이미지 촬영단계의 처리를 수행하여 얻어진 형광이미지의 형광강도를 상기 데이터베이스에 저장된 데이터와 비교하여 질량값을 추정하는 처리가 수행되는 질량추정단계를 포함하여 구성되고,
상기 염색단계는,
아세톤 용매에 나일레드를 용해시켜 미리 정해진 농도의 나일레드 염색용액을 제작하고, 미리 정해진 질량의 미세플라스틱 입자를 상기 나일레드 염색용액으로 염색하며, 미리 설정된 온도와 시간 및 속도에 따라 교반한 후 냉각하여 상기 미세플라스틱 시료를 제작하는 처리가 수행되도록 구성되고,
상기 형광이미지 촬영단계는,
상기 염색단계를 통해 염색이 완료된 상기 미세플라스틱 시료를 진공여과 과정을 통해 용액으로부터 분리하여 건조하고, 건조된 상기 미세플라스틱 시료를 미리 정해진 설정에 따라 질량별로 각각 분류하며, 각각의 질량별로 분류된 상기 미세플라스틱 시료에 대하여 470nm 파장의 청색 가시광을 이용하여 각각 형광이미지를 촬영하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 형광염색을 이용한 미세플라스틱의 질량추정방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 염색단계는,
아세톤 용매에 나일레드를 용해시켜 100㎍/mL 농도의 나일레드 염색용액을 제작하고 1g의 미세플라스틱 입자를 상기 나일레드 염색용액으로 염색하며,
이때, 진탕항온기를 이용하여 50℃로 온도를 설정하고 30분간 150 RPM으로 교반한 후, 얼음물로 냉각하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 형광염색을 이용한 미세플라스틱의 질량추정방법.
- 삭제
- 삭제
- 제 1항에 있어서,
상기 형광이미지 분석단계는,
ImageJ를 포함하는 이미지처리 소프트웨어를 이용하여, 상기 미세플라스틱 시료에 대한 형광이미지의 평균회색값(Mean Gray Value ; MGV)를 구하는 것에 의해 형광강도를 수치화하여 미세플라스틱의 질량에 따른 형광강도의 상관관계를 산출하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 형광염색을 이용한 미세플라스틱의 질량추정방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 질량추정단계는,
측정하고자 하는 미세플라스틱 미지시료를 나일레드로 염색하여 형광이미지를 촬영한 후 형광강도를 분석하고,
상기 데이터베이스에 저장된 미세플라스틱의 질량과 형광강도 사이의 상관관계에 근거하여 미리 정해진 기준과 상기 미지시료의 형광강도를 비교하여 질량값을 추정하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 형광염색을 이용한 미세플라스틱의 질량추정방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 질량추정단계는,
딥러닝(Deep Learning)이나 머신러닝(Machine Learning), 또는, 인공신경망(Artificial Neural Network ; ANN), 순환신경망(Recurrent Neural Network ; RNN) 컨벌루션 신경망(Convolutional Neural Network ; CNN)을 포함하는 인공지능 학습 알고리즘을 이용하여, 미세플라스틱 질량과 형광강도의 상관관계에 대한 학습을 수행하고 학습결과에 근거하여 미세플라스틱 미지시료의 질량을 추정하는 처리가 자동으로 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 형광염색을 이용한 미세플라스틱의 질량추정방법.
- 미세플라스틱 질량측정장치에 있어서,
측정하고자 하는 미세플라스틱 시료에 대한 형광이미지를 수신하는 처리가 수행되도록 이루어지는 입력부;
상기 입력부를 통해 입력된 형광이미지를 데이터베이스에 미리 저장된 데이터와 비교하여 미세플라스틱의 질량을 추정하는 처리가 수행되도록 이루어지는 이미지분석 처리부; 및
상기 입력부를 통해 입력되는 형광이미지 및 상기 이미지분석 처리부의 분석결과를 포함하는 각종 데이터를 출력하고 시각적으로 표시하는 처리가 수행되도록 이루어지는 출력부를 포함하여 구성되고,
상기 이미지분석 처리부는,
청구항 1항, 청구항 2항, 청구항 5항 내지 청구항 7항 중 어느 한 항에 기재된 형광염색을 이용한 미세플라스틱의 질량추정방법을 이용하여 미세플라스틱의 질량을 추정하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 미세플라스틱 질량측정장치.
- 청구항 1항, 청구항 2항, 청구항 5항 내지 청구항 7항 중 어느 한 항에 기재된 형광염색을 이용한 미세플라스틱의 질량추정방법을 이용하여, 측정하고자 하는 미세플라스틱 시료에 대한 형광이미지를 수신하고 데이터베이스에 미리 저장된 데이터와 비교하여 미세플라스틱의 질량을 추정하는 처리를 컴퓨터를 통해 실행시키도록 구성되는 프로그램이 기록된 컴퓨터에서 판독 가능한 기록매체.
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| KR1020230021580A KR102545148B1 (ko) | 2023-02-17 | 2023-02-17 | 형광염색을 이용한 미세플라스틱의 질량추정방법 |
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| KR1020230021580A KR102545148B1 (ko) | 2023-02-17 | 2023-02-17 | 형광염색을 이용한 미세플라스틱의 질량추정방법 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020230021580A KR102545148B1 (ko) | 2023-02-17 | 2023-02-17 | 형광염색을 이용한 미세플라스틱의 질량추정방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102545148B1 (ko) |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102229764B1 (ko) * | 2020-10-21 | 2021-03-19 | (주)휴마스 | 형광표지 및 복합광계측 기반 수중 미세플라스틱 신속 모니터링 방법 및 장치 |
| KR102296894B1 (ko) | 2020-07-28 | 2021-09-01 | 서울시립대학교 산학협력단 | 실시간 미세플라스틱 분석장치 |
| KR20220033940A (ko) * | 2020-09-10 | 2022-03-17 | 주식회사 넥스트이앤엠 | 기계학습을 이용한 미세플라스틱 분석 방법 |
| KR20220093623A (ko) * | 2020-12-28 | 2022-07-05 | 주식회사 넥스트이앤엠 | 근적외선 분광법을 이용한 미세플라스틱 정량분석시스템 및 그의 동작방법 |
| KR102447224B1 (ko) | 2020-10-26 | 2022-09-27 | 한국생산기술연구원 | 미세 입자의 정성 및 정량 분석 장치 |
| JP2022150982A (ja) * | 2021-03-26 | 2022-10-07 | 株式会社島津製作所 | 検査装置、検査システム、及び検査方法 |
| KR20220141313A (ko) * | 2020-02-19 | 2022-10-19 | 리써치 트라이앵글 인스티튜트 | 나노플라스틱 및 마이크로플라스틱의 설계, 제작, 및 특징화 |
-
2023
- 2023-02-17 KR KR1020230021580A patent/KR102545148B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20220141313A (ko) * | 2020-02-19 | 2022-10-19 | 리써치 트라이앵글 인스티튜트 | 나노플라스틱 및 마이크로플라스틱의 설계, 제작, 및 특징화 |
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Nile red/계면활성제 조합을 이용한 미세플라스틱의 수계 내 선택적 형광 염색 (오세빈, 세종대학교, Polym. Korea. 2022)* * |
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