KR20020033104A - 공조 및 냉동 공정 감시용 바이오센서 - Google Patents

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Abstract

공조 또는 냉동 공정 및 시스템의 선택된 상태를 실시간 감시하기 위한 바이오센서(10)가 제공된다. 바이오센서(10)는 감시될 환경 제어 공정의 선택된 상태를 나타내는 하나 이상의 검체를 검출하도록 작동하는 생체시약(22)을 보유한 생체성분 요소(20)를 포함한다.

Description

공조 및 냉동 공정 감시용 바이오센서{BIOSENSORS FOR MONITORING AIR CONDITIONING AND REFRIGERATION PROCESSES}
바이오센서는 이하의 3가지 기본 요소, 즉 반응성 생체성분 요소(reactive biocomponent element), 베이스 센서 요소(base sensor element) 및 이들 사이에 배치된 인터페이스 요소(interface element)를 구비하는 화학 센서(chemical sensor)이다. 생체성분은 감지될 특정 검체(analyte)와 상호 작용하도록 선택되는 생체 활성종(bioactive species) 또는 생체 모방종(biomimetic species) 등의 생체시약(bioagent)을 포함한다. 생체시약은 통상적으로 생화학 과정을 통해 검체와 결합하거나 이를 측정 가능한 성분으로 변환하도록 작용한다. 종래의 센서에 사용되는 생체성분은 효소(enzyme), 항원(antigen), 항체(antibody), 수용체(receptor), 조직(tissue), 세포 전체, 박테리아, 핵산 등의 생물종(biological species)을 포함한다. 베이스 센서 요소는 검체의 존재를 나타내는, 그리고 몇몇 경우에는 검체의 실제량을 나타내는 전기 또는 광학 신호인 측정 가능 출력을 발생시키도록 작동하는 물리적 구성 요소를 구비한다. 종래의 센서에 사용되는 센서 요소는 예컨대 전기화학 장치, 광학 장치, 음향 장치 및 열량 장치를 포함한다. 인터페이스 요소는 센서 요소를 생체성분으로부터 분리하고 이들 사이의 연결부(link)로서 역할하는 막(membrane) 또는 피복(coating)을 포함한다. 종래의 바이오센서에 사용되는 인터페이스의 예에는 중합체 막(polymer membrane), 전기중합 피복(electropolymerized coating) 및 자기 조직적 단량체(self-assembling monomer)가 포함된다.
종래의 바이오센서는 예컨대 마이크로-캔틸레버(micro-cantilever) 바이오센서, 생체발광 바이오리포터 센서(bioluminescent bioreporter sensor), 광섬유 탐침 바이오센서(fiber optic probe biosensor), 다공성 실리콘 광간섭 바이오센서(porous silicon optical interferometric biosensor) 및 생체모방 센서를 포함한다. 마이크로-캔틸레버 바이오센서는 전자 판독 칩과 작동 가능하게 연결된 MEMS 센서 칩을 구비한다. 이러한 종류의 바이오센서는 항원-항체 반응을 사용한 생물학적 감지를 위해 사용되어 왔다. 부가적으로, 이러한 마이크로-캔틸레버 바이오센서는 톨루엔, 아세톤, 메탄올 및 포름알데히드의 농도를 측정하기 위해 사용되어 왔다. 이러한 종류의 바이오센서에 사용되는 마이크로-캔틸레버는 통상적으로 실리콘 또는 실리콘 질화물로 구성된다.
생체발광 바이오리포터 센서는 집적회로와 직접 인터페이스된 바이오리포터 유기체를 포함한다. 유전공학적으로 처리될 수 있는 바이오리포터 유기체는 검체가 검출되고 IC가 광신호를 검출한 때 발광한다. 현재, 한천(agar/agarose), 알긴산염(alginate), 폴리우레탄 및 폴리아크릴아미드를 포함하는 다양한 재료들이 IC의 광감지부에서 또는 그 부근에서의 세포의 포착(entrapment)을 위해 고려된다. 포착은 개체군 생육성(population viability)의 유지, 영양분의 공급, IC와의 인터페이싱 및 환경 조건으로부터의 보호 제공을 위해 필수적이다. 생체발광 바이오리포터 집적회로 센서는 나프탈렌, 벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 및 크실렌 폴리염화 비페닐(PCB)을 검출하는 데 성공적으로 사용되어 왔다. 또한, 생체발광 바이오리포터는 이소프로필벤젠의 검출, 열충격 유전자 발현(heat shock gene expression)의 감시, 산화성 스트레스(oxidative stress)의 감시, 수은의 검출, 및 생체막에서의 알긴산염의 생성의 검출을 위해 설계되어 왔다.
광섬유 탐침 바이오센서는 에어로졸화된 박테리아의 원격 검출을 위해 개발되었다. 이러한 바이오센서의 하나는 소형 원격 조작식 비행기 상에 설치된, 자동식 유체공학적 유닛과 일체로 된 광섬유 바이오센서 탐침과, 사이클론형 공기 시료 채취기(cyclone type air sampler), 무선 수신기 및 배터리를 포함한다. 이러한 바이오센서는 광섬유의 소멸파 영역(evanescent wave region)에서 복수개의 면역 분석을 동시에 수행할 수 있다. 탐침이 검체를 포함하는 시료와 접촉한 때, 부동화된(immobilized) 항체가 괴상 용액(bulk solution)으로부터의 검체와 결합한다. 형광 표지 염료(fluorophore)가 소멸 영역에서 결합될 수도 있다. (레이저 형광계(laser fluorimeter)를 사용한) 소멸 영역에서의 빛에 의한 형광 표지 염료의 여기(excitation)는 검출 가능한 신호를 유도한다. 병원균에 대한 임상적 시료, 독소에 대한 식품 시료, 오염 물질에 대한 지하수 시료, 및 생물학작용제(biological warfare agent)에 대한 환경적 시료를 분석하기 위해 광섬유 탐침이 사용되어 왔다. 하나의 원격 바이오센서는 광섬유 탐침의 테이퍼형 말단부 상에서 항체를 결합시키기 위해 비오틴-애비딘 시스템(biotin-avidin system)을 이용한다. 이 시스템은 광섬유 탐침 상의 결합된 항체를 변경함으로써 다중 검체 감지에 용이하게 적응될 수 있다. 애비딘-비오틴 교차 결합 방법의 사용은 비특이성 항체에 대하여 유리 표면을 부동화(passivatting)시킴으로써 감도(sensitivity)를 증가시키고 비특이성 반응을 감소시킨다.
다공성 실리콘계 광간섭 바이오센서는 다양한 분자들의 존재를 알리기 위해 색상을 변경시킨다. 이러한 기술의 기본은 광간섭 패턴의 변화를 관찰하는 것이다. DNA 가닥 또는 항체 등의 화학적 인식 분자(chemical recognition molecule)가 다공성 실리콘 칩의 표면 상에 심어진다. 매체의 유효 광학 두께는 분광 간섭계(spectral interferogram)에서의 피크의 정도 및 파장과 상호 관련지어질 수 있다. 결과적으로, 간섭 층들의 유효 광학 두께를 계산하기 위해 강도-에너지 관계식의 푸리에 변환(Fourier transform)이 사용될 수 있다. 생물학적 결합에 의해 야기되는 유효 광학 두께(굴절률과 두께의 곱)의 변화는 관련된 굴절률 수정 기구(index-modifying mechanism)에 따라 파장을 길거나 짧게 하도록 간섭 패턴을 이동시켜서 상이한 색상의 방출을 초래하며, 매우 민감한 생체 감지 방법으로서 사용될 수 있다. 다공성 실리콘의 광 여기 발광(photoluminiscence)은 나노/퀀텀 크기의 실리콘 결정의 존재에 기인한다. 광범위한 성분들을 검출하기 위해 이러한 기술을 사용하는 휴대용 포켓형 바이오센서가 개발되었다. 이러한 장치는 DNA, 항체 및 비오틴/애비딘 시스템을 검출하기 위해 사용될 수 있다.
생체모방 센서는 검체를 검출하기 위해 생물학적 요소 자체를 사용하는 것이 아니라, 오히려 화학 반응을 이용하는 생물학적 공정을 모방한다. 통상적으로, 생체모방 센서는 예컨대 실리카겔, 다공성 실리콘 이산화물, 및 다공성 붕규산(borosilicate) 유리 등과 같은 광투과성인 다공성 고체상 기판과, 투과광을 검출하는 발광 다이오드 및 광트랜지스터와, 기판 내에 함침된 자기 재생 화학 감응제(self regenerating chemical sensing agent)를 포함한다. 일산화탄소의 검출을 위해 설계된 이러한 하나의 생체모방 센서에 있어서, 화학 감응제는 고체상 기판의 표면 상에 자기 조직되어(self assembled) 헤모글로빈을 모방하는 초분자 유기금속 화학 착화합물(supramolecular organometallic chemical complex)이다. CO 검출을 위한 화학 감응제는 가용성 팔라듐 염, 몰리브덴 및/또는 텅스텐 염, 구리 염, 및 알파 사이클로덱스트린 등의 분자 캡슐화제(encapsulant)의 혼합물이다. 고체상 센서가 CO에 노출된 때, 화학 시약은 광밀도의 변화를 겪는다. CO가 없는 공기에서는, 화학 감응제는 환경에서의 CO의 감소율에 비례하는 비율로 자기 재생 과정에 의해 자신의 분광 이동을 반대로 할 수 있다. 센서의 응답 특성(감도 및 응답 시간)은 화학 감응제의 형성 과정을 제어함으로써 특정 표준 또는 적용을 충족시키도록 설계될 수 있다. 미국 특허 제5,063,164호는 에틸렌 검출을 위해 개발된 생체모방 센서를 기재하고 있다.
본 발명은 일반적으로 바이오센서(biosensor)에 관한 것으로, 특히 난방, 환기, 공조, 냉동 공정 등의 환경 제어(climate control) 공정을 감시하는 데 있어서 사용되는 바이오센서에 관한 것이다.
첨부 도면을 참조하여 이루어진 이하의 다양한 실시예의 상세한 설명으로부터 본 발명이 보다 완전하게 이해된다.
도1은 본 발명의 일 태양에 따른 바이오센서의 측단면도이다.
도2는 본 발명에 따른 바이오센서에 의해 감시되는 환경 제어 공정의 개략도이다.
본 발명의 목적은 공조 또는 냉동 공정 및 시스템의 선택된 상태를 실시간감시하기 위한 바이오센서를 제공하는 것이다.
기재된 하나의 실시예에서, 주거용 또는 상업용 건물의 공조 시스템에서 박테리아, 균류(fungi), 대사 물질(metabolite), 휘발성 유기 화합물, 또는 특정 알레르기 항원(allergen)을 검출하기 위한 바이오센서가 제공된다.
기재된 다른 하나의 실시예에서, 주거용 또는 상업용 시스템에서의 증발기 코일로부터 누설되는 냉매의 존재를 검출하기 위한 바이오센서가 제공된다. 냉매 누설의 검출은 몇몇 대체 냉매의 독성 및 잠재적인 대기 환경에의 부작용으로 인해 중요한 관심 사항이다.
기재된 또 다른 실시예에서, 예컨대 상업용 건물 공조 시스템, 물 가열기 또는 물 냉각탑에서의 레지오넬라(Legionella) 박테리아의 존재의 검출, 또는 냉동 식품 저장 용기에서의 대장균(E-coli) 박테리아의 존재의 검출 등의 공조 또는 냉동 시스템에서의 박테리아 또는 균류의 성장의 검출을 위한 바이오센서가 제공된다.
기재된 또 다른 실시예에서, 냉동 식품 저장 용기에서 과일 또는 야채의 숙성 또는 식품 부패를 나타내는 어떠한 대사 물질의 존재의 검출 및/또는 그 농도의 측정을 위한 바이오센서가 제공된다.
기재된 또 다른 실시예에서, 산소가 감소된 환경에서 유지되는 부패성 제품을 위한 냉동 운반 용기에서 이산화탄소의 존재의 검출 및/또는 그 농도의 측정을 위한 바이오센서가 제공된다. 이러한 바이오센서는 신선한 공기의 실내로의 환기를 제어하는 데 있어서 사용되는 제어 신호를 제공하도록 실내의 이산화탄소의 농도를 감시하기 위해 사용될 수 있다.
기재된 또 다른 실시예에서, 금속 성분의 부식으로 인한 부산물인 화학물질의 존재를 검출하기 위한 바이오센서가 제공된다.
기재된 또 다른 실시예에서, 예컨대 상업용 건물 공조 시스템의 흡수식 냉동기와 같은 흡수식 냉동기에서 수소 가스의 존재를 검출하기 위한 바이오센서가 제공된다. 냉동기 내에서의 수소 가스 농도는 냉동기 내에서의 부식량을 나타낸다.
이제, 도1을 참조하면, 난방, 환기, 공조 또는 냉동 공정 또는 다른 환경 제어 공정의 선택된 상태를 실시간 감시하는 데 적절한 바이오센서(10)를 도시하고 있다. 바이오센서(10)는 감시될 환경 제어 공정의 선택된 상태를 나타내는 하나 이상의 검체를 검출하도록 작동하는 생체시약(22)을 보유한 생체성분 요소(20)를 포함한다. 도1에 도시된 바와 같이, 생체성분 요소(20)는 입력 신호로부터 측정 가능한 출력 신호를 발생시키도록 작동하는 베이스 센서 요소(30) 상에 캔틸레버 방식으로 지지된다. 인터페이스층(40)은 생체성분 요소(20)와 베이스 센서요소(30)의 중간에 이들과 접촉하여 적어도 베이스 센서 요소(30)의 일부에 걸쳐 연장된다. 마이크로-캔틸레버 바이오센서로서 도1에 도시되었지만, 바이오센서(10)는 본 발명의 기술적 사상 및 범주를 벗어나지 않고 다른 물리적인 배치로 형성될 수도 있다는 것을 이해하여야 한다.
각각의 검체는 환경 제어 공정과 관련된 가스 또는 공기에 존재하는 대사 공정의 부산물로서 미생물에 의해 발생된 소정의 휘발성 유기 화합물을 포함한다. 특정한 검체의 존재에 대해 환경 제어 공정을 감시하는 본 발명의 바이오센서를 사용함으로써, 공정은 검체의 수준을 감소시키거나 검체의 충격에 대해 완화되도록 제어될 수 있다. 도2를 참조하면, 본 발명에 따라 환경 제어 공정을 감시하는 공정이 도시되어 있다. 수용 공간(50) 내의 제어된 환경으로부터의 공기 또는 가스는 귀환 덕트(60) 및 급기 덕트(70)를 경유하여 예컨대 난방 유닛, 여과 유닛, 공조 유닛, 환기 유닛, 냉동 유닛 등의 환경 제어 유닛(82)을 포함하는 공정 유닛(80)을 통해 연속적으로 또는 필요에 따라 순환된다. 공정 유닛(80)은 바람직하게는 이를 통과하는 공기 또는 가스 스트림으로부터 바람직하지 못한 검체의 적어도 일부를 뽑아내는 집진기, 흡수기, 반응기 등의 오염물 제거 장치(84)를 포함한다.
하나 이상의 검체의 존재에 대해 제어된 환경으로부터의 공기 또는 가스를 감시하기 위해, 공기 또는 가스 스트림(75)의 비교적 작은 부분(95)은 우회 덕트(90)를 통해 귀환 덕트(70)로부터 벗어나 하류 지점에서 귀환 덕트(70)로 귀환한다. 바이오센서(10)는 우회 스트림(95) 내의 검체의 존재를 감지하도록 우회 덕트(90)와 작동하게 결합되도록 배치된다. 작동시, 바이오센서(10)의 생체성분 요소(20)는 검체와 상호 작용하여 베이스 센서 요소(30)로의 입력 신호를 발생시킨다. 베이스 센서 요소(30)는 소정 수준의 검체의 존재 또는 우회 스트림(95) 내의 검체의 실제량을 나타내는 출력 신호(3)를 발생시킨다.
제어기(100)는 센서 요소(30)로부터 출력 신호(3) 예컨대 연속적인 전압 신호를 수신하여 처리하고, 신호의 절대값 또는 신호의 변화율 중 하나에 따라 적절하게 응답한다. 예컨대, 제어기(100)가 출력 신호(3)에 의해 나타낸 바와 같은 검체의 농도가 예컨대 소정 설정치를 초과하여 바람직하지 못하다고 결정하면, 제어기(100)는 적절한 시스템 응답을 시작하도록 제어 신호를 발생시켜 출력한다. 예컨대, 제어기(100)는 경보기(110)를 활성화시키도록 제어 신호(5)를 보낼 수도 있다. 또한, 제어기는 오염물 제거 장치(84)를 활성화시키도록 제어 신호(7)를 보내거나, 지나가는 공기 또는 가스 중 일부를 배기하도록 급기 덕트(60)와 결합된 벤트 도어(122)를 개방시키기 위해 작동기(120)로 제어 신호(9)를 보낼 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 예컨대 균류 또는 휘발성 유기 화합물 또는 알레르겐 등의 미생물과 같은 특정 오염물 또는 관련 오염물의 존재를 검출하는 데 적합한 활성 생체성분을 갖는 바이오센서는 예컨대 주거용 또는 상용 빌딩, 자동차, 레크리에이션 차량, 버스, 항공기, 기차 또는 배의 객실 등의 환경이 제어될 개인 수용 공간과 결합된 HVAC 시스템의 급기 또는 귀환 덕트와 작동하게 결합되도록 위치된다. 바이오센서의 생체성분 요소는 검출된 검체의 존재를 나타내는 출력을 발생시키고, 바이오센서 요소는 예컨대 수용 공간을 통과하는 공기 스트림 내의 균류개수(fungal count), 휘발성 유기 화합물의 농도 또는 알레르겐 농도 등 선택된 검체의 평가가 가능한 패턴 인식 시스템을 사용하여 처리될 수도 있는 측정 가능한 신호를 발생시킨다. 일반적으로 미생물 VOC 또는 mVOC로서 알려진 일부 휘발성 유기 화합물은 예컨대 지오스민, 1-옥텐-3-올(Geosmin, 1-octen-3-ol)과 같이 빌딩 공조 시스템에서 악취를 발생시키는 것으로 확인되었다. 검출될 특정 검체를 위한 특정 흡수제로 피복된 마이크로-캔틸레버와, 특정 검체를 검출하는 유전공학적으로 처리된 특정 생체리포터가 제공된 생체발광 생체리포터 센서를 갖는 마이크로-캔틸레버 센서는 이러한 분야에서 특히 유리하다. 이러한 분야에서, 바이오센서(10)는 예컨대 항원-항체 결합 상호 작용을 이용하는 생체시약을 갖는 마이크로-캔틸레버 센서, 광출력을 검출하도록 마이크로칩 상에 직접 합체된 생체발광 센서, 또는 면역 측정 기술과 합체된 광섬유 탐침을 갖는 바이오센서를 포함할 수도 있다.
또한, 마이크로-캔틸레버계 센서는 공조 시스템에서 냉매 누설을 검출하는 데 유리하게 사용될 수도 있다. 냉매를 흡수하는 상이한 플라스틱 화합물로 각각 피복된 여러 마이크로-캔틸레버 센서가 증발기 코일 부근의 공조 덕트에 설치될 수도 있다. 플라스틱 화합물은 다양한 냉매가 각각의 선택된 플라스틱 내에서 상이한 용해도를 갖도록 선택된다. 소정 플라스틱 내에서의 냉매 용해도는 냉매 쌍극자 모멘트(dipole moment) 및 증기압에 크게 좌우된다. 한 벌의 피복된 캔틸레버 내에서의 냉매 용해도의 비율은 각각의 냉매에 대해 독특한 패턴을 제공한다. 또한, 냉매 농도는 흡수된 냉매의 총 중량이 주변 압력과 관련되므로 측정될 수 있다. 또한, 혐기성 환경(anaerobic environment)에 반응하는 바이오센서는 냉매의존재를 신호로 보내는 데 사용될 수 있다. 이러한 센서는 냉매와의 반응시 산 또는 다른 부산물을 발생시키는 메탄 생성 미생물 배양(methanogenic culture) 또는 활성 효소를 합체할 수도 있다. 산 또는 다른 부산물의 검출은 색상 변화 또는 형광 분자를 통한 광선의 발생에 의해 알아낼 수도 있다.
마이크로-캔틸레버계 센서는 바람직하게는 대형 상용 빌딩에서 흔히 사용되는 냉각기(water chiller) 등의 흡수 냉각기 내에서의 누설의 존재를 검출한다. 일반적으로, 누설이 존재하면, 냉각 장치 내로 누설되는 공기 내의 산소는 부식을 가속시킨다. 수소는 흡수 냉각기 내에서 부식의 결과로서 발생되기 때문에, 수소의 발생은 가속되고, 바이오센서는 실시간 부식 검출기로서 작동한다. 종래 기술을 사용하면, 작동 중인 흡수 냉각기 내부의 부식은 감시하기 극히 어렵고, 상당한 육체 노동 및 작동 중단을 필요로 한다. 본 발명의 태양에 따르면, 냉각기 내의 누설 및 부식의 존재는 냉각기 외부에 위치된 바이오센서에 의해 비파괴 방식(non-intrusive fashion)으로 검출된다.
본 발명의 다른 태양에서, 박테리아의 존재를 검출하기 위한 바이오센서가 제공된다. 대장균 박테리아는 적절한 온도가 유지되지 않으면 식품실에서 성장하는 것으로 알려져 있다. 병원성 레지오넬라 박테리아는 냉각탑의 물에 소정 상태 하에 있을 수도 있고, 일부의 경우에는 빌딩 공조 시스템에서 공조된 공기 내에 실려 있을 수도 있다. 각각의 분야에서의 지시에 따라 대장균 또는 레지오넬라 특이성 항체에 의해 피복, 함침 또는 처리된 생체성분 요소를 갖는 바이오센서는 식품 저장 용기 또는 디스플레이 케이스 내의 대장균 및 냉각탑의 물 내의 레지오넬라를온라인 감시하는 데 사용될 수 있다. 선택된 특이성 항체로 피복된 캔틸레버 요소를 갖는 마이크로-캔틸레버 바이오센서, 선택된 특이성 항체로 피복된 광섬유 탐침의 팁을 갖는 광섬유 탐침 바이오센서 및 선택된 특이성 항체로 피복된 다공성 실리콘 표면을 갖는 다공성 실리콘 바이오센서가 이러한 분야에서 사용하는 데 특히 유리하다. 또한, 이들 센서는 온-칩 전자 회로로 합체될 수 있다. 예컨대, 대장균은 항체, 항원 또는 효소를 박막의 표면에 결합시킴으로써 표면 플라즈몬 공명(SPR: Surface Plasmon Resonance) 기술을 사용하여 검출될 수도 있다. 대장균의 결합은 박막의 광학 성질을 변화시키고 공명 광선의 파장을 이동시켜, 박테리아의 존재를 나타낸다. 또한, 특이성 항체와 박테리아의 결합은 전류 또는 형광 응답을 사용하여 검출될 수도 있다. 레지오넬라 또는 대장균 박테리아에 특이성을 띤 상용 항체는 공기로부터 박테리아를 포획하는 데 사용되는 자성 비드(magnetic bead) 등의 센서 요소 상으로 피복될 수도 있다. 개재된 분석 기구(sandwich assay mechanism)를 사용하면, 포획된 박테리아가 적절하게 태그가 부착된 항체를 사용하여 펼쳐진다.
또한, 본 발명의 바이오센서는 냉동 저장실, 냉동 운반 용기, 트럭 및 트레일러, 및 냉동 디스플레이 케이스 등의 부패성 제품을 위한 냉동 분야에서 과일 숙성 및 부패성 제품의 품질 보존을 감시하는 데 적절하다. 이러한 분야에서, 본 발명의 바이오센서는 과일, 야채, 육류 및 기타 식품의 품질 또는 신선도의 지표로서 사용될 수도 있는 소정의 화학종 또는 대사 산물을 검출하도록 작동하는 특정 생체시약에 의해 피복, 함침 또는 처리된 생체성분 요소를 갖는다. 이들 센서는 슈퍼마켓 디스플레이 케이스, 냉장고 및 냉동고뿐만 아니라 운반 용기, 트레일러 및 트럭을 포함하지만 이에 제한되는 것은 아닌 냉동 식품 저장 유닛 내에 놓일 수도 있다. 예컨대, 바이오센서는 숙성된 과일의 표지로서 냉동 식품 저장 유닛 내에 존재하는 에틸렌의 수준을 감시하여 환기 개선, 에틸렌 제거 또는 온도 저하를 위한 능동적인 피드백을 위한 수단을 제공한다. 식품 저장 분야에서의 에틸렌은 별도로 하고, 바이오센서는 식품 저장 유닛 내에 존재하는 이산화탄소의 수준을 감시하여 식품 저장 상태를 제어하는 능동적인 피드백을 제공하는 데 사용될 수도 있다. 에틸렌 또는 이산화탄소를 위한 유전공학적으로 처리된 생체리포터 미생물과, 에틸렌 또는 이산화탄소를 위한 흡수제에 의해 피복, 함침 또는 처리된 마이크로-캔틸레버 바이오센서는 이들 분야에서의 사용에 특히 유리하다.
도2를 재참조하면, 냉동 과일 운반 용기의 예에서, 바이오센서(10)는 용기(50)로부터 흡기 덕트(70)로의 입구 개구와, 입구의 하류 및 냉동 유닛(82)의 상류에서 다시 흡기 덕트(70)로의 출구 개구를 갖는 우회 덕트(90) 내에 배치된다. 소량의 공기는 바람직하게는 연속적인 감시 능력 및 10분 이하의 응답 시간을 갖는 바이오센서(10)로 우회 덕트(90)를 통해 유동된다. 바이오센서(10)는 바람직하게는 생체성분 요소(20)를 통과하는 광선의 강도를 측정하여 측정된 광선 밀도를 나타내는 전압 신호를 발생시키는 예컨대 광트랜지스터 등의 베이스 센서 요소(30)와 작동하도록 결합되는 예컨대 팔라듐 및 몰리브듐계 착화합물 등의 에틸렌에 노출될 때 광학 밀도를 변화시키는 생체성분 요소(20)를 포함한다. 작동시, 광원(도시되지 않음)으로부터의 소정 강도의 광선은 생체성분 요소(20) 상에 안내되어, 생체성분 요소(20)를 통과하는 광선의 강도는 센서 요소(30)에 의해 측정된다. 제어기(100)는 센서 요소(30)로부터의 전압 신호를 수신하고, 이 신호를 생체성분 요소(20)를 통해 100%의 광투과도를 나타내는 설정 전압과 비교하여, 설정 전압과 수신된 전압 신호 사이의 차이로부터 용기(50)로부터의 공기 내에 존재하는 에틸렌 농도를 결정한다.
제어기(100)는 측정된 에틸렌 농도를 수용 가능한 수준의 에틸렌을 나타내는 특정 설정 농도와 비교한다. 측정된 농도가 설정 농도를 초과하면, 제어기(100)는 제어 신호를 발생시켜 벤트 도어를 개방시키도록 벤트 작동기로 제어 신호를 전달한다. 귀환 덕트(60)를 통해 용기(20)로 귀환하는 공기 중 일부는 냉동 유닛(82)으로부터 형성된 공기에 의해 교체되도록 개방된 벤트 도어에 의해 제공되는 개구를 통해 외부로 보내진다. 바이오센서(10)가 에틸렌 농도를 계속 감시하기 때문에, 제어기(100)는 에틸렌 농도가 수용 가능한 수준으로 복귀된 때를 인식하여, 벤트 도어를 폐쇄시키도록 벤트 작동기에 신호를 보낸다. 또한, 제어기(100)는 바이오센서(10)의 기능을 감시하여 바이오센서(10)가 고장났거나 소정 시간을 넘어 작동된 경우에 경보 신호를 발생시켜 이를 전달하도록 설치된다. 일부의 바이오센서는 예컨대 시간 또는 바이오센서의 전위 출력의 함수로서 생체시약의 주기적인 재충전 또는 교체를 필요로 할 수도 있다. 따라서, 제어기(100)는 바이오센서의 가동 시간을 기록하는 타이머 또는 교체나 재충전의 필요성을 나타내는 기능 변화를 감시하여 사용자에게 경보를 발생시키는 검출기를 합체할 수도 있다.
또한, 제어기(100)는 순환 공기의 온도, 습도, 이산화탄소, 산소 및 질소 수준을 감시하여 이 정보를 데이터 기록 장치(130)로 보내도록 추가적인 센서 즉 바이오센서 또는 종래의 센서 중 하나의 추가 센서에 연결될 수도 있다. 또한, 바이오센서(10) 및 제어기(100)의 출력은 운반/저장 작동 중에 용기 내에 존재하는 에틸렌의 양에 대한 시간-농도 이력의 기록을 제공하도록 데이터 기록 장치(130)에 기록될 수도 있다. 특히, "스마트 카드(smart card)" 또는 "영수증(receipt)"이 기재된 바와 같은 온도, 습도, 이산화탄소, 산소 및 질소뿐만 아니라 에틸렌의 농도를 기록하는 데 채용될 수도 있다.
또한, 금속 성분의 초기 부식을 검출하는 수단으로서 금속의 부식 과정 중에 발생되는 화학종을 감시하는 바이오센서가 제공될 수도 있다. 예컨대, 미생물에 의해 유도되는 구조 요소의 부식은 난방, 환기 및 공조 시스템에서 커지고 있는 관심사이다. 미생물에 의해 유도되는 부식의 결과로서 발생되는 종은 예컨대 유기산을 포함한다. 또한, 포름산의 존재는 포르머케리 부식(formicary corrosion)을 나타낼 수도 있다. 이들 종의 존재를 검출함으로써, 구조 또는 특정 구성 요소의 안정 상태가 연속적으로 또는 주기적으로 그리고 원격으로 감시될 수도 있다. 부식 과정 중에 발생되는 유기염 또는 포름산을 위한 특정 흡수제에 의해 피복, 함침 또는 처리된 마이크로-캔틸레버계 센서는 이러한 분야에서 특히 유리하다. 또한, 생체발광 생체리포터 센서 및 다공성 실리콘 바이오센서가 이러한 분야에서 유용하다.

Claims (10)

  1. 난방, 환기, 공조 또는 냉동 공정의 선택된 상태를 실시간 감시하는 바이오센서 장치에 있어서,
    입력 신호로부터 측정 가능한 출력 신호를 발생시키도록 작동하는 센서 요소와,
    감시될 공정의 상태를 나타내는 검체를 검출하도록 작용하는 생체시약을 구비하여 센서 요소와 작동 가능하게 결합된 생체성분 요소
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 공조 제어되는 환경을 통해 순환하는 기체상 유체의 가열, 환기, 냉각 또는 냉동을 위한 공정 중 선택된 상태를 제어하는 장치에 있어서,
    기체상 유체에 존재하는 특정 검체를 검출하도록 작용하는 생체시약을 갖는 생체성분 요소와, 기체상 유체 내에서의 검체의 존재를 나타내는 출력 신호를 발생시키도록 생체성분 요소와 작동 가능하게 결합된 센서 요소를 구비하는 바이오센서와,
    바이오센서로부터 수신된 출력 신호에 응답하여 경고 신호를 발생시키도록 작동하는 제어기
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 공조 제어되는 환경을 통해 순환하는 기체상 유체의 가열, 환기, 냉각 또는 냉동을 위한 공정 중 선택된 상태를 제어하는 장치에 있어서,
    기체상 유체에 존재하는 특정 검체를 검출하도록 작용하는 생체시약을 갖는 생체성분 요소와, 기체상 유체 내에서의 검체의 농도를 나타내는 출력 신호를 발생시키도록 생체성분 요소와 작동 가능하게 결합된 센서 요소를 구비하는 바이오센서와,
    바이오센서로부터 수신된 출력 신호에 응답하여 제어 신호를 발생시키도록 작동하는 제어기를 포함하며,
    상기 제어 신호는 바이오센서로부터 수신된 출력 신호가 미리 선택된 농도를 초과하는 검체의 농도를 나타내는 것으로 제어기가 판단한 때에는, 제어기와 결합된 피제어 장치를 가동시키도록 작용하는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 주거용 또는 상업용 건물 난방, 환기 또는 냉방 시스템의 공기 기류 내에서의 균류, 휘발성 유기 화합물 또는 알레르기 항원을 검출하도록 작용하는 생체활성 시약을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 생체성분 요소는 주거용 또는 상업용 공조 시스템의 증발기로부터 누설되는 냉매를 검출하도록 작용하는 생체 시약을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 생체성분 요소는 주거용 또는 상업용 건물 난방, 환기 또는 냉방 시스템에서 박테리아를 검출하도록 작용하는 생체 시약을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 생체성분 요소는 냉동 식품 저장 용기 내의 기체상 유체에서의 에틸렌을 검출하도록 작용하는 생체 시약을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 생체성분 요소는 냉동 식품 저장 용기 내의 기체상 유체에서의 이산화탄소를 검출하도록 작용하는 생체 시약을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 생체성분 요소는 흡수식 냉동기의 공정 가스에서의 수소 가스를 검출하도록 작용하는 생체 시약을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 생체성분 요소는 금속 성분의 부식으로 인한 화학적 부산물을 검출하도록 작용하는 생체 시약을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
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