KR19990033547U - 적층형 모듈식 초소형 화학 분석기 - Google Patents

Abstract

간편한 원터치 배관방식을 이용한 적층형 모듈식 초소형 유체주입분석기(Stacked Modular Flow Injection Analyzer)를 개시한다. 개시한 적층형 모듈식 유체주입분석기는, 기저부에 시료채취용 마이크로 다이아프램펌프가 내장된 샘플러모듈과; 그 위에 적층한 초소형 시린지펌프 모듈과; 그 위에 적층한 초소형 인젝터 모듈과; 그 위에 적층한 혼합코일 모듈과; 그위에 적층한 플로우셀 모듈과; 그위에 적층한 스페이서및 검출센서모듈로 구성되며, 상기 적층 구조는 두개의 수직 지지막대로 정렬되며, 지지막대 상부에는 수평 압박막대로 단단히 고정되어 있고, 각 모듈에는 각각 8비트 마이크로 프로세서 기반의 제어회로가 내장되고 직렬통신버스로 연결되어 상호 통신할 수 있으며, 상기 베이스 모듈의 마이크로프로세서의 명령에 따라 상기 시료채취용 마이크로 펌프가 상기 인젝터 모듈에 시료를 주입하면, 상기시린지 펌프모듈이 작동하여 주입된 시료를 상기 혼합모듈을 거처 상기 플로우셀 모듈로 이송하면 상기 센서모듈에서 시료의 화학 성분, 예컨데 포도당 농도,을 측정하게 되며 전체 구조가 기존의 3차원적 배관을 이용하는 화학분석기 보다 수십분의 일로 축소된 초소형이며, 적층식 모듈의 상호 배관이 간단하며 전력소모량이 극히 작고, 각 모듈의 구성,개량및 확장이 간편하여 다양한 초소형 화학분석기로 사용될 수 있는 것을 특징으로 한다.

Description

적층형 모듈식 초소형 화학 분석기 {Stacked Modular Miniaturised Flow Injection Analysis System}

본 고안은 간편한 원터치 배관을 이용한 초소형 적층형 모듈유체주입방식의 (Flow Injection) 화학분석기기에 관한 것이다.

화학 분석기술은 환경, 식품, 생명공학,의료산업 전반에 널리 사용되고 있다. 특히 생산공정이나 환경계측에서는 현장형 휴대용 화학 분석기기가 많이 사용되며 농업계통에서는 고가의 화학분석기기를 저렴하게 보급해야할 필요성이 대두되고 있다.

이렇듯 제조가격을 낮추고 크기를 작게하는 시장에 요구에 맞추어 이른바 마이크로 머시닝에 의한 화학분석기기의 초소형화연구가 활발히 수행되고 있으나 아직 초기단계에 불과하다.

기존의 화학분석기기중 액체시료중의 특정성분을 측정하는 기기는 크게 액체 크로마토그래피 기기와 유체주입형 기기로 나눌 수 있으며 전자는 매우 고가이며 유지 보수에 전문 인력이 필요하다는 이유로 상기와 같은 초소형 저가형기기 제조에는 맞지 않는다. 한편 유체주입형 기기는 전자와 같이 시료중에 여러성분을 동시에 측정할 수는 없고 단지 한 두가지 성분만을 측정하는 단점이 있지만 구성이 단순하고 재현성이 뛰어나 생산공정용 화학분석기기나 현장용 분석기기로 널리 사용되고 있다. 예를 들면, 발효공정에 사용되는 자동 포도당분석기, 폐수처리 공정에 사용되는 자동 질소성분분석기등이 그것이다.

그러나 이와 같은 유체주입형 분석기기들 또한 배관이나 기구 설계가 복잡하여 고가이며 크기가 현장용으로 사용하기에 여전히 크다. 가장 큰 장애는 샘플러, 펌프,인젝터, 혼합코일, 플로우셀을 배관하는 과정에서 고가의 초소형 배관자재가 사용되며 입체적인 배치로 인하여 제조시 수작업에 의존한다는 점이다. 이리하여 식품공정, 환경산업현장에서 여전히 시료를 채취하여 분석실험실에 의뢰하게 되므로 그분석 결과를 얻기까지 여 수시간 또는 수일의 시간지연이 발생하므로 즉각적인 의사결정이 필요한 공정제어나 환경감시에 큰 장애가 되고 있다.

본 고안은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 그 크기를 초소형화 하고 대량생산이 가능한 유체주입형 화학분석기기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1 은 전체 시스템개념도이다.

도 2 는 초소형 시린지 펌프의 구성도이다

도 3은 초소형 인젝터의 구성도이다.

도 4는 초소형 인젝터의 기능원리도이다.

도 5는 플로우셀 모듈의 개념도이다.

도 6은 각 모듈간의 배관방법에 관한 것이다.

도 7은 실제 제작된 초소형 적층형 모듈식 포도당 분석기의 실물사진이다.

도 8은 초소형 적층형 모듈식 포도당 분석기의 전형적인 분석결과이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 고안의 바람직한 실시예에 따른 초소형 유체주입방식 화학분석기기는; 초소형 다이아프램펌프및 제어용 마이크로 프로세서로 구성된 샘플러모듈과; 그위의 적층된 초소형 시린지펌프와 제어용마이크로프로세서로 구성된 시린지펌프모듈과; 그 위에 적층된 인젝터 모듈과; 그위에 적층된 혼합코일모듈과; 그위에 적층된 플로우셀 모듈과; 그위에 적층된 센서모듈을 구비하여서, 상기 적층모듈들은 두개의 지지막대와 수평 압박대에 의하여 정렬및 고정되어 전체적인 크기의 초소형화를 달성하고, 각 모듈의 제어회로가 각 모듈내에 내장되고 직렬통신버스로 연결되어 상호 통신하므로 별도의 전자제어부가 필요치 않으며, 각 모듈들은 특수히 제작된 원터치 배관으로 유체를 주고 받으므로 상호 배관이 극히 단순한 것을 특징으로 한다.

본 고안에 있어서, 상기 모듈들은 아크릴수지로 하는 것이 바람직하다.

본 고안에 있어서, 상기 모듈들은 각각 상부에는 상위모듈에 연결되는 배관접속부가 돌출되어 있고, 기저부에는 하위모듈의 접속배관이 삽입되는 함몰형 접속배관이 있어서 원터치로 단단히 상호배관되는 것이 바람직하다.

본 고안에 있어서, 상기 모듈들은 각 모듈의 제어용 마이크로 프로세서및 주변제어회로를 내장하고 그 제어회로는 직렬통신 버스, 예컨대 iic 버스 4핀 전원 두핀 포함,로 상호 연결되어 통신할 수 있어서 각 모듈들이 완전히 독립적으로 동작되게 하는 것이 바람직하다.

본 고안에 있어서, 상기 모듈들은 정밀하게 가공한 서로 대각선방향으로 위치한 두개의 수직 지지막대로 튼튼히 적층되고 정밀하게 정렬되며, 최상부에 수평압박막대에 의하여 단단히 고정되는 것이 바람직하다.

이하, 도 1 을 참조하여, 본 고안에 따른 적층형 모듈식 초소형 우체주입분석기를 상세히 설명한다.

도면을 참조하면, 초소형 다이아프램펌프(1)는 기저부에 위치한 샘플러모듈(2)에 장착되어 샘플입력관(12)및 샘풀출력관(13)이 돌출되어 있다. 샘플러모듈위에는 초소형 시린지 펌프가 놓여 있다. 시린지 펌프(3)는 펌프 입력부에 놓인 입력방향의 체크밸브(14)와 출력방향의 체크밸브(15)가 역시 돌출되어 있다. 입력측 체크밸브는 추진액용기와 가는 튜브로 연결된다. 상기 시린지 펌프의 피스톤(23)이 후퇴하면 (도 2 참조) 추진액이 용기에서 흡입되어 시린지 펌프의 실린더(24)에 채워진다. 그리고 피스톤이 전진하면 출력방향 체크밸브(15)로 추진액이 밀려 나간다. 이 액은 초소형 인젝터 모듈(4)의 입력관으로 들어가게 된다. 이 때 다이아프램펌프가 샘플을 퍼올리면 이 샘플용액은 인젝터의 샘플입력관(10)을 통해 들어가 샘플루프(16,17)을 채우고 나와 샘플 출력관(11)으로 배출되어 폐기액용기로 가게 된다. 이 때 제어부에 의하여 인젝터의 피스톤이 전진하면 샘플루프(16,17)는 하부의 시린지 펌프(2)와 상부의 혼합코일(5)와 연결되게 된다. 그리하여 추진액이 전진하면 샘플루프에 채워진 시료토막도 따라 전진하여 혼합코일을 거쳐 플로우셀 모듈(6)으로 간다.플로우셀모듈에는 검출센서(9)가 있어 시료토막의 용해되어 있는 특정성분을 검출하여 전기신호로 바꾸게 된다. 검출센서를 지난 용액은 최종적으로 배출구(18)을 통해 배출되어 폐기액 용기로 들어가게 된다.

전체 구조는 수직 지지막대(7)과 수평압박대(8)에 의하여 단단히 고정된다.

이하 도 2를 통하여 초소형 시린지 펌프에 대하여 상세히 설명한다.

제어회로기판(38)에 있는 8비트 마이크로 프로세서는 직렬통신2선, 전원 2선등 총 4선으로 다른 모듈과 연결된다. 통신으로 명령을 받으면 서보모터를 회전시킨다. 이 회전은 감속기어(30)에 의하여 감속되고 직선운동 추진용 암나사(27)을 회전시켜 숫나사가 새겨진 피스톤 밀대(26)을 전진 또는 후진 시킨다.피스톤이 전진하면 전진위치검출 센서(28)이 제어회로기판(29)에 새겨진 접점과 접촉하면서 전진종착점을 신호를 발생한다. 후진시에는 후진위치센서(19)가 접점(25)와 접촉하여 후진 종착점 신호를 발생한다. 그리고 액체 펌핑과정은 전술한 바와 같다.

이하 도 3,4를 통하여 초소형 인젝터 모듈에 대하여 설명한다.

제어회로기판(29)에 있는 8비트 마이크로 프로세서는 직렬통신2선, 전원 2선등 총 4선으로 다른 모듈과 연결된다. 그리고 인젝터의 피스톤이 전후진 하는 기작은 전술한 초소형 시린지 펌프와 같다(31,32,33,34,35,36,37,38). 한편 다른점은 입출력관이 총 6개가 있다는 점이다. 도 4를 참조하면서 보면 피스톤에 새계진 홈을 따라 샘플루프가 피스톤 후진시 시료 입출력관(39)으로 연결되었다가 피스톤 전진시 시린지펌프및 혼합코일로 연결된다. 그리하여 샘플루프에 채워진 시료토막이 추진액 사이에 삽입되는 것이다.

이하 도 5를 통하여 플로우셀모듈을 상세히 설명한다. 그리고 검출센서는 전기화학센서의 예를 들어 설명한다.

제어회로기판(47)에 있는 8비트 마이크로 프로세서는 직렬통신2선, 전원 2선등 총 4선(46)으로 다른 모듈과 연결된다.

하위모듈에서 올라온 액체는 유도관(49)을 통해 올라오다가 백금보조전극(50)을 통과하여 테프론제 스페이서(51)과 검출센서(52)사이의 얇은 공간을 거쳐 배출유도관(54)로 흘러 나간다. 이 때 시료토막이 검출센서를 통과하면서 시료중의 특정성분이 센서에 의하여 검출된다. 배출유도관에은 기준전극이 박혀있으며 최종적으로 배출관(55)으로 연결되어 있다.

이하 도 6을 이용하여 모듈간의 상호연결에 대하여 설명한다.

각 모듈은 50 mm x 60 mm의 크기에 대각선방향으로 10mm x 3 mm의 함몰부(가 있다 각 모듈의 두께는 다양하여 5mm 에서 40mm까이 있다. 대각선방향의 함몰부에 수직 지지막대가 위치하여 각 모듈을 정렬시키게 된다. 각 모듈에의 하부에는 직격 1.4mm의 홀(57)이, 상부에는 폴리이서이서케톤재질의 튜브토막(직경 1.5mm, 58)이 박혀있고 둘은 직경 0.8mm 드릴 홀로 연결되어 있다. 상기 엔지니어링 플라스틱 튜브토막은 내 마모성이 좋고 탄성이 뛰어난 물질로서 해당 모듈의 상부에 적층된 상위 모듈의 홀과 밀착 삽입된다. 이때 0.1mm의 공차로 인하여 튜므와 홀은 단단하게 결합되어 1기압의 압력까지는 액체의 누수가 없다. 상기 압력은 유체주입형 분석기기의 통상 운전 압력인 0.3기압보타 충분히 크므로 사실상 누수는 없다. 그리고 수백번의 탈착실험에서도 마모나, 누수가 발견되지 않아 우수하고 간편한 원터치 배관이라는 점을 알 수 있다.

한편 도 7은 실제 제작된 초소형 적층형 모듈식 포도당분석기의 실물사진이다. 센서로는 백금전극(직경 2mm)에 셀룰로스 에세테이트 박막을 입힌후 (어드히젼 층), 글루코스 옥시다제, 알부민, 글루타르알데하이드를 이용하여 효소막을 입힌다음(감지막층), 다시 셀룰로스 에세테이트를 얇게 코팅(보호막)한것이다. 그리고 기준전극은 Ag/AgCl을 이용했고 보조전극은 전술한 바와 같은 백금판이다. 전위는 작동 백금전극에 400mV vs Ag/AgCl을 걸었다.

도8은 상기 포도당분석기의 센서출력을 보여준다. 데이터는 0.1mM 에서 2.5mM사이의 여러샘플에 대한 센서의 촐력을 퍼스널컴퓨터에서 직렬통신으로 받아 그린것이다. 여기서 직선반응구간은 0.1 - 2.5mM이었고 해상도는 0.05mM이었다.

마지막으로 전체적인 운전과정을 살펴보기로 한다. 기저부에 있는 샘플러 모듈의 마이크로 프로세서는 전체 운전에 대한 총괄을 하게 된다. 샘플러모듈의 전면의 스위치가 눌려지면 차례대로 다음의 순차 조작을 수행한다.

1. 인젝터의 피스톤을 후진시켜 샘플로딩 준비를 한다.

2. 다이아프램펌프를 작동시켜 시료를 샘플루프에 채운다.

3. 인젝터피스톤을 전진시켜 시료주입준비를 한다.

4. 시린지 펌프를 작동시켜 추진액을 민다.

6. 검풀기에서 출력을 모니터하다가 최대값(피크의높이)을 얻어내어 측정값으로 한다.

본 고안에 의하여 산업현장및 실험실에서 널리 사용되는 유체주입형 화학분석기를 초소형으로 그리고 대량생산할 수 있게 되었다. 그리고 각 모듈간의 독립성을 부여하여 각 모듈의 개선, 개량이 자유로와 지게 되었고 수많은 다른 모듈의 탄생이 기대되고 있다. 특히 본고안의 편리한 원터치 배관은 모듈의 적층형 구조에서 이상적인 상호 배관수단을 제공하며 고가의 배관자재를 사용하지 않아도 되게 되었다.

본고안의 따라 휴대용 수질 분석기, 강변에 설치하여 전지에 의하여 혼자 작동되는 현장 설치용 자동 수질 분석기, 또는 교육용 화학 분석기, 공정에 배치된 대형 반응기에 근접 설치되어 온라인 분석을을 통해 자동제어할 수 있는 자동측정장비등 많은 응용가능성이 열리게 되었다.

Claims (4)

1. 화학분석의 단위 기능을 수행하는 플라스틱재질의 모듈이 적층되어 두개의 수직지지대의 의하여 정렬되며;

   상기 수직지지대에 설치된 수평압박대에 의하여 단단히 고정되며;

   각 모듈은 서로 원터치 배관에 의하여 상위및 하위모듈간의 유체관로의 연결이 이루어지고;

   사용된 모듈들은 초소형 다이아프램펌프, 초소형 시린지 펌프, 초소형 인젝터, 혼합코일, 플로우셀등이며;

   각 모듈에는 마이크로프로세서가 내장되어 전원및 직렬통신선로로 이루어진신 직렬 통신 버스에 접속하여 상호 통신하며;

   자동샘플링, 자동보정, 자동측정을 수행하는 초소형 적층형 모듈식 유체주입형 화학분석기
2. 제 1항에 있어서,

   원터치 배관은 폴리이서이서케톤(Polyetheretherketone)재질의 튜브도막과 피삽입 홀간의 공차를 이용하여 밀착되는 방법의 원터치 탈착형 배관 방법.
3. 제 1항에 있어서,

   시린지펌프는 사각형 플라스틱 모듈내에 감속기어와 실린더, 피스톤, 전후진 센서, 두개의 체크밸브를 집적시켜 적층형 구조의 단위모듈로 사용할 수 있는 펌프.
4. 제 1항에 있어서,

   인젝터는 사각형 플라스틱 모듈내에 감속기어와 실린더, 피스톤, 전후진 센서를 집적시켜 적층형 구조의 단위모듈로 사용할 수 있는 형이며, 피스톤의 외벽에 유체관로를 음각시켜 샘플루프가 샘플 입출력관이나 추진액 입출력관에 피스톤의 전후진에 따라 서로 연결 될 수 있는 구조의 초소형 인젝터.