KR20100089319A - 소수성 졸-겔로 개질된 고분자막을 갖는 탁도 측정용 프로브 - Google Patents
소수성 졸-겔로 개질된 고분자막을 갖는 탁도 측정용 프로브 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 탁도 측정용 프로브에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 시료수의 탁도를 측정하기 위한 프로브에 마련된 발광창 및 수광창에 고분자막을 형성하여 미생물 또는 부유물질의 침착을 방지함으로써 시료수의 탁도를 정밀하게 측정할 수 있는 프로브에 관한 것이다.
본 발명은 광이 투과되는 발광창 및 수광창이 마련된 하우징과, 하우징에 내장되며 상기 발광창을 통해 상기 하우징의 외부에 위치하는 시료수로 광을 발산하는 발광부와, 하우징에 내장되며 상기 수광창을 통해 입사되는 광을 검출하는 광검출기와, 발광창 및 상기 수광창의 표면에 각각 형성되며 상기 시료수 중에 함유된 미생물 또는 부유물질의 침착을 방지하기 위한 고분자막을 구비한다.
상기한 바와 같이 본 발명의 탁도 측정용 프로브에 의하면 시료수 중에 함유된 미생물, 초미립자들을 정밀하게 검출할 수 있다. 또한, 발광창 및 수광창에 형성된 고분자막은 물과 결합할 수 있는 수산화기(-OH)가 존재하지 않기 때문에 액체상태로 존재하는 배양액 내의 미생물이나 부유물질과의 상호 결합력을 감소시켜 침착현상을 방지 또는 최소화시켜 탁도 검출능력을 향상시킨다.
탁도, 탁도센서, 프로브, 고분자막, 침착, 졸겔
Description
본 발명은 탁도 측정용 프로브에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 시료수의 탁도를 측정하기 위한 프로브에 마련된 발광창 및 수광창에 고분자막을 형성하여 미생물 또는 부유물질의 침착을 방지함으로써 시료수의 탁도를 정밀하게 측정할 수 있는 프로브에 관한 것이다.
오늘날 심각한 환경오염으로 인해 수질이나 대기 오염원에 대한 측정과 제거에 대한 연구가 필수불가결하며, 또한 활발히 진행되고 있다.
그 중 인간과 모든 생명체의 근원이 되는 물의 오염정도의 측정과 개선이 무엇보다 중요한데, 수질 오염을 판단하기 위해서는 수질환경의 생물학적 특성, 부유물 내의 미량원소와 같은 화학적 특성 그리고 물의 색깔, 냄새, 탁도 등의 물리적 특성이 고찰되어야 한다.
이 중, 특히 탁도는 물의 흐린 정도를 정량적으로 나타낸 지표로서 수중에 부유하는 입자들의 빛에 의한 산란과 흡수로 표현된다. 이러한 탁도는 여러 가지 부유물질에 의해 발생하며 수질 내 부유하는 입자의 크기는 콜로이드 분산에서 굵 은 분산질까지 다양하다. 여기에는 나노수준의 초미립자도 포함된다.
탁도는 호수와 같이 비교적 정체된 상태에 있는 물에서는 대부분 콜로이드 분산 등과 같은 극히 미세한 분산질에 의해 발생되며, 하천수와 같이 흐르는 상태의 물에서는 대부분 굵은 분산질에 의해 생겨난다.
침전물 또는 부유물질을 이루는 미립자는 수원지나 호수와 같은 환경에 영향을 주는 주요 오염원으로써, 이러한 미립자는 수도 공급관 내부로 흘러들어 파이프 내부를 침식시키거나 퇴적되는 등의 문제를 유발한다. 또한 금속 파이프로 이루어진 수도관 표면 부식에 의해 금속 미립자가 생성되어 파이프 내부의 부식과 동시에 침식을 유발하여 파이프의 손상을 유발시키기도 한다. 그리고 파이프 안의 미립자는 파이프 내부 표면에 스케일을 형성하여 파이프 내부의 유체의 흐름을 방해하고, 또한 탁도를 유발하는 64 ㎛ 이하의 미립자는 직접적으로 생물학적 활성(biological activity)에 손상을 입히거나 유해한 화학제의 전달수단이 되기도 한다.
그리고 콜로이드이나 분산질에 의해 수질이 오염되었을 때는 물의 투명도가 변화하여 오염정도를 쉽게 알 수 있지만, 나노 수준의 초미립자가 수질 내에 분산되어 있을 경우 물의 오염정도를 판단하기가 쉽지 않다.
이러한 초미립자에는 여러 가지 금속성분, 유기물질, 바이러스, 조류 및 곰팡이 등이 포함되어 있으며, 다환 방향족 탄화수소(polycyclic aromatic hydrocarbon, PAH) 등의 발암성 물질이 포함되어 있다. 특히 초미립자의 경우 중금속 등의 금속원소로 이루어져 있기 때문에 측정방법 및 모니터링 기술 개발이 시급 하다.
그리고 유기물이 수질 내로 유입되어 미생물의 개체수가 증가하여 생물학적 오염을 일으키는데, 이러한 경우 특히 음용수 관리에서는 미생물의 모니터링 역시 매우 중요한 측정 변수이다. 따라서 수질을 평가하기 위한 탁도 측정 시 수중의 부유물질 중 초미립자나 미생물까지도 정확하게 검출될 수 있어야 한다.
하지만 종래의 탁도 측정장치들은 광원으로 텅스텐 필라멘트 램프 또는 적외선 LED를 사용하여 탁도를 검출하도록 구성되어 있다. 이러한 종래의 광원은 자외선 대역의 파장의 빛만을 발산하여 수중에 존재하는 다양한 크기의 입자들을 선택적으로 검출할 수 없을뿐더러 적외선 LED와 같이 낮은 에너지의 빔으로는 6㎛이하의 미립자의 검출이 용이하지 않은 문제점이 있다. 또한, 종래의 탁도 측정장치로는 수중에 존재하는 미생물은 전혀 검출할 수 없다는 문제점이 있다.
그리고 상기와 같은 종래의 탁도센서는 검출부에 미생물이나 부유물질 등이 침착되었을 때 기기의 검출성능이 현저히 저하될 수 있다.
본 발명은 상기의 문제점을 개선하고자 창출된 것으로서, 수질을 정밀하게 분석할 수 있도록 수중 내의 초미립자나 미생물까지도 검출할 수 있는 탁도 측정용 프로브를 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 프로브에 설치되어 광이 투과되는 발광창 및 수광창에 고분자막을 형성시켜 시료수 중에 함유된 미생물 또는 부유물질이 침착되는 것을 방지하여 탁도 검출능력을 향상시킬 수 있는 탁도 측정용 프로브를 제공하는 데 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 탁도 측정용 프로브는 광이 투과되는 발광창 및 수광창이 마련된 하우징과; 상기 하우징에 내장되며 상기 발광창을 통해 상기 하우징의 외부에 위치하는 시료수로 광을 발산하는 발광부와; 상기 하우징에 내장되며 상기 수광창을 통해 입사되는 광을 검출하는 광검출기와; 상기 발광창 및 상기 수광창의 표면에 각각 형성되며 상기 시료수 중에 함유된 미생물 또는 부유물질의 침착을 방지하기 위한 고분자막;을 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 고분자막은 디메톡시디메틸실란 및 테트라메틸오르도실리케이트를 전구체로 하여 졸겔법에 의해 조성된 졸-겔을 상기 발광창 및 상기 수광창에 코팅하여 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 발광부는 상기 시료수 중에 함유되어 있는 미생물을 검출하기 위해 자 외선 광을 발산하는 제 1램프와, 미립자를 검출하기 위해 레이저광을 발산하는 제 2램프와, 일반 탁도를 검출하기 위해 적외선광을 발산하는 제 3램프를 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 , 제 2 및 제 3램프로부터 각각 발산되는 광을 상기 발광창으로 전달하는 발광용 광섬유와; 상기 수광창을 통해 입사되는 광을 상기 광검출기로 전달하는 수광용 광섬유;를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같이 본 발명의 탁도 측정용 프로브에 의하면 시료수에 자외선광을 조사하여 미생물의 대사 과정에서 발생하는 NADH나 NADPH에 의해 발생하는 형광을 검출함으로써 시료수 중에 함유된 미생물의 양을 정확히 검출할 수 있을 뿐만 아니라 높은 에너지를 갖는 레이저광을 시료수에 조사함으로써 시료수 중에 함유된 초미립자들을 정밀하게 검출할 수 있다.
또한, 하우징의 내부에 자외선 다이오드와 적외선 다이오드 및 레이저 다이오드를 내장함으로써 수중의 다양한 크기의 입자 및 미생물들을 하나의 프로브로 정밀하게 검출할 수 있어 측정이 간편하고 정확한 다이오드 기반의 탁도 시스템을 제공한다.
그리고, 발광창 및 수광창에 형성된 고분자막은 강도가 우수하고 다른 환경인자에 대한 저항성이 크며 빛에 대한 투과성이 우수하여 본 발명에 유용하게 적용될 수 있다. 이러한 고분자막은 물과 결합할 수 있는 수산화기(-OH)가 존재하지 않기 때문에 액체상태로 존재하는 배양액 내의 미생물이나 부유물질과의 상호 결합력 을 감소시켜 침착현상을 방지 또는 최소화시켜 탁도 검출능력을 향상시킨다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 탁도 측정용 프로브에 대해서 구체적으로 설명한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 탁도측정용 프로브(10)는 하우징(20)과, 하우징(20)에 내장되어 광을 발산하는 발광부(30) 및 광을 검출하는 광검출기(40)와, 발광부(30)의 광을 하우징(20)의 하부에 위치하는 시료수로 전달하는 발광용 광섬유(50)와, 시료수에서 산란된 광 또는 형광을 광검출기(40)로 전달하는 수광용 광섬유(60)를 가진다.
하우징(20)은 전체적으로 원통 형상을 가지며, 탁도 측정을 위해 하부가 시료수에 잠기거나 시료수와 접촉하게 된다. 하우징(20)은 상부 하우징(21)과 하부 하우징(23)이 상호 나사결합된 구조를 가지며, 상부하우징(21)과 하부하우징(23)의 사이에는 기밀 유지를 위한 환형의 패드(24)가 장착된다. 이러한 하우징(20)의 상하부 결합구조에 의해 하우징(20) 내의 구성부품 등의 교체 및 보수관리가 용이하다.
하우징(20)의 내부에는 발광부(30) 및 광검출기(40), 발광 및 수광용 광섬유(50)(60)가 설치된다. 그리고 탁도를 측정하기 위해 시료수로 광을 조사하는 광학면, 즉 하우징(20)의 저면은 내측으로 인입된 오목한 원뿔형상으로 형성된다. 이때 하우징(20)의 저면은 도시된 바와 같이 좌우측이 90°각도로 상호 대향하도록 형성된다.
상호 대향하는 하우징(20)의 저면의 일측과 타측에는 관통홀이 형성되고, 상기 관통홀에는 광이 투광되는 발광창(25)과 수광창(27)이 각각 설치된다. 발광창 (25)및 수광창(27)은 유리나 투명아크릴로 형성된다.
발광부(30)는 시료수에 광을 조사하기 위한 광원으로서, 시료수 중에 존재하는 미생물을 검출하기 위해 자외선 광을 발산하는 제 1램프(31)와, 미립자를 검출하기 위해 레이저광을 발산하는 제 2램프(33)와, 일반탁도를 검출하기 위해 근적외선 광을 발산하는 제 3램프(35)를 구비한다.
상기의 미립자는 6㎛ 미만의 크기를 가지는 부유물질을 의미하며, 여기에는 나노수준의 크기를 가지는 초미립자를 포함한다. 그리고 상기의 일반탁도는 종래의 탁도검출장치에 의해 검출할 수 있는 부유물질들을 의미하는 것으로, 6㎛ 이상의 크기를 가지는 입자들로부터 굵은 분산질까지의 부유물질을 의미한다.
바람직하게 제 1램프(31)는 330 내지 350nm의 파장의 광을 발산하는 자외선 다이오드이고, 제 2램프(33)는 830nm의 파장의 광을 발산하는 레이저 다이오드이고, 제 3램프(35)는 820 내지 900nm의 파장의 광을 발산하는 적외선 다이오드를 이용한다.
작은 미립자는 긴 파장 대역보다 짧은 파장 대역에서 더 강하게 산란하며, 큰 미립자는 넓은 파장 대역에서 더 강하게 산란한다. 860 nm 대역의 광원은 작은 미립자의 감도가 떨어지므로 적합한 측정영역(미립자의 크기)를 고려해야 한다. 820 내지 900nm 대역의 파장에서는 6㎛이상의 크기 이상의 입자검출에 용이하다. 그러나 그 이하의 크기를 가지는 입자의 경우 빛이 입자에 조사되었을 때 반사광의 양이 증가하고 탁도검출을 위해 필요로 하는 90도 위치의 산란광은 줄어들게 된다. 6㎛ 이하의 초미립자의 검출을 위해서는 레이저 광원과 같이 강한 에너지를 지니는 광원이 필요하다. 특히 830nm 파장 대역을 가지는 레이저는 10nm 이하의 직경을 가지는 나노입자까지 검출이 가능하다.
제 1 및 제 2, 제 3램프(31)(33)(35)는 광검출기(40)와 함께 본체와 전기적으로 연결되는 인쇄회로기판(17)상에 설치된다. 이때 각 램프들은 상호 광이 간섭되지 않도록 각각의 원기둥 형상의 램프삽입관(71)에 의해 삽입되어 설치되며, 램프삽입관(71)의 단부는 발광용 광섬유(30)로 광이 전달될 수 있도록 발광용 광섬유(30)의 일단이 연결된다. 이 경우 램프(31)와 발광용 광섬유(51) 사이의 램프삽입관(71)에는 램프(31)에서 발광된 광이 평행하게 투광될 수 있도록 렌즈(73)가 삽입될 수 있다.
상기와 같이 본 발명의 탁도 측정용 프로브(10)는 서로 다른 파장을 가지는 세개의 광원을 이용해 시료수 중에 존재하는 미생물이나 미립자, 그리고 입자가 비교적 큰 일반 부유물질을 검출하여 정확한 수질분석의 데이터를 제공할 수 있다.
제 1램프(31)의 자외선 광은 미생물을 검출하는 데 사용한다. 이는 수중에 존재하는 미생물은 대사과정에서 NADH나 NADPH를 생산하는 데, 도 2에 도시된 바와 같이 NADH나 NADPH는 자외선 광이 조사될 때 형광을 방출하는 특성을 이용한 것이다. 바람직하게는 330 내지 350nm의 자외선 광을 이용한다. 특히, 440nm의 형광을 방출하는 340nm의 자외선 광이 조사하는 게 바람직하다.
따라서 미생물에서 방출되는 형광을 90°각도에서 측정하여 시료수 중에 존 재하는 미생물의 양을 검출할 수 있다.
그리고 제 2램프(33) 및 제 3램프(35)는 미생물 외에 시료수 중에 존재하는 초미립자부터 굵은 분산질까지의 부유물질을 검출하기 위한 것으로, 시료수 중에 입자들에 의해 산란되는 광을 90°각도에서 측정하여 입자들의 양을 검출하는 것이다.
발광용 광섬유(50)는 상기 제 1 및 제 2, 제 3램프에서 발산하는 광을 하우징의 저면에 형성된 발광창(25)으로 전달하는 수단으로, 각 램프들(31)(33)(35)의 광원을 전달할 수 있도록 제 1 및 제 2, 제 3발광용 광섬유(51)(53)(55)로 구성된다. 발광용 광섬유(50)는 일단이 발광부(30)의 램프삽입관(71)에 연결되어 발광창(25)까지 연장된다.
따라서 발광부(25)에서 발산되는 광은 발광용 광섬유(50)를 통해 발광창(25)으로 투광되어 하우징(20)의 저면 외측에 위치하는 시료수에 입사되고, 시료수에 입사된 광의 일부는 시료수 중에 함유된 부유물질에 의해 산란된다. 이 중 90°각도로 산란된 광은 수광창(27)으로 입사되어 수광용 광섬유(60)를 통해 광검출기(40)로 전달된다.
본 발명의 발광용 및 수광용 광섬유(50)(60)로는 유리광섬유나 플라스틱 광섬유를 이용할 수 있다. 특히, 바람직하게는 유리광섬유보다 광학적 특성과 가공성이 우수한 플라스틱광섬유를 이용한다. 플라스틱 광섬유는 저가격화가 가능하고 뛰어난 벤딩(Bending)특성으로 인해 설치가 용이하고 외부충격에도 강한 장점을 지니고 있다.
상기와 같이 발광부(30)에서 발산되는 광을 광섬유(50)(60)를 통해 전달함으로써 프로브(10)의 부피를 줄이고 광의 간섭을 최소화할 수 있다. 또한 프로브(10)의 형상에 구애받지 않으므로 비교적 다양한 형태의 프로브를 설계할 수 있다는 장점을 가진다.
광검출기(40)는 시료수에서 산란된 광량을 검출하는 것으로 광증배관(Photo-multiplication Tube: PMT)를 이용한다. 광증배관은 입력되는 광신호를 전기신호로 변화시켜 증폭기(110)로 보내게 된다. 이외에도 광검출기(40)로는 포토다이오드를 이용할 수 있음은 물론이다. 광검출기(40)는 발광부에서 발광된 광이 바로 입사되는 것을 방지하기 위해 원기둥 형상의 삽입관(75)에 삽입되어 인쇄회로기판(17)상에 설치된다. 삽입관(75)의 단부(77)에는 렌즈가 설치될 수 있다.
상기 발광창 및 수광창의 표면에는 시료수 중에 함유된 미생물 또는 부유물질의 침착을 방지하기 위한 고분자막(80)이 형성된다. 여기서 침착은 시료수 중의 미생물 또는 각종 부유물질 등이 표면에 달라 붙는 것을 의미한다.
소수성 졸-겔을 이용한 고분자막(80)은 전구체 물질(Precursor)로 디메톡시디메틸실란(Dimethoxydimethylsilane:DiMe- DMOS)과 테트라메틸오르도실리케이트 (Tetramethyl-orthosilicate:TMOS)을 사용하여 조성된다.
TMSO: DiMe-DMOS: 증류수: 0.1M HCl의 부피비가 각각 1: 2.45: 1.70: 1.1이 되도록 혼합하여 얻어진 졸-겔 용액은 3.5 시간동안 가수분해와 축합 반응을 위해 교반한다.
교반된 졸-겔 용액에서 침전된 소수성 졸(Sol)을 얻기 위하여 7500 rpm으로 5min동안 원심분리한다. 원심 분리하여 얻은 침전된 졸 1ml에 약 50 ul의 0.1 M 인산완충 용액(0.1 M Potassium phosphate buffer, pH 7)을 첨가한다.
상기와 같이 만들어진 소수성 졸-겔은 물과 결합할 수 있는 수산화기(-OH)가 존재하지 않기 때문에 시료수 중에 함유된 미생물 또는 부유물질과의 상호결합력을 감소시켜 침착을 방지할 수 있다.
졸-겔은 수광창과 발광창 표면에 주입하여 스핀코팅 기법을 이용하여 표면에 고르게 도포시킨 후 막표면의 균열을 방지하기 위해 4~5일 동안 실온에서 건조시켜 발광창과 수광창에 투명하고 얇은 고분자막(80)을 형성시킨다. 스핀코팅 외에도 담금코팅이나 스프레이코팅 기법을 이용하여 수광창과 발광창의 표면에 졸-겔을 도포시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 탁도 측정용 프로브(10)에 적용되는 발광부(30)는 도시된 바와 달리 미생물을 검출하기 위한 제 1램프 단독으로 구성되거나, 미립자를 검출 하기 위한 제 2램프 단독으로 구성될 수 있다. 또한, 제 1램프 및 제 2, 제 3램프 중 두 개의 램프로 조합되어 발광부를 구성할 수 있음은 물론이고, 상기 제 1 및 제 2, 제 3램프 외에도 통상적인 램프가 이용될 수 있음은 물론이다.
본 발명의 탁도측정용 프로브(10)의 작용을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 탁도를 측정하고자 하는 시료수에 하우징(20)의 하부가 잠기도록 한 상태에서 발광부(30)의 제 1램프(31)에 전원이 인가되면 제 1발광용 광섬유(51)를 통해 340nm의 파장을 가지는 자외선 광이 발광창(25)으로 투광되어 하우징(20)의 하부에 위치한 시료수로 입사된다. 시료수로 입사된 자외선 광은 시료수에 존재하는 미생물의 NADH나 NADPH에 의해 여기되어 450nm의 형광으로 방출된다. 이때 방출되는 형광은 수광창(27)으로 입사되어 수광용 광섬유(60)를 통해 광검출기(40)로 전달된다.
그리고 발광부(30)의 제 2램프(33)나 제 3램프(35)에 전원이 인가되면 제 2 발광용 광섬유(53)또는 제 3발광용 광섬유(55)를 통해 광이 시료수로 입사된다. 시료수로 입사된 광은 시료수에 존재하는 입자들에 의해 산란되고, 이 중 90°각도로 산란되어 수광창(27)을 통해 입사된 광은 수광용 광섬유(60)를 통해 광검출기(40)로 전달된다.
그리고 광검출기(40)는 조작부 및 제어부와 표시부를 가지는 본체(미도시)와 케이블(15)로 연결된다. 따라서 광검출기(40)를 통해 출력되는 전기적 신호는 본체에 입력된다.
이하, 실시 예 및 실험 예를 통하여 본 발명의 탁도측정용 프로브의 특성을 설명하고자 한다. 다만, 하기의 실시 예는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위를 하기의 실시 예로 한정하는 것은 아니다.
(실시예1)
발광부의 광원으로 미생물 검출을 위한 자외선 다이오드(SEOUL OPTO DEVICE Co., S8D28, 340 nm)와, 초미립자(나노입자) 검출을 위한 레이저 다이오드(Hamamatsu Co., Japan, L8414-41, 830 nm)와, 일반탁도의 검출을 위해 근적외선 다이오드(WI3311-H, 860 nm, Wonsemiconductor Co., Korea)를 사용하였다.
그리고 발광부로부터의 발산되는 광을 프로브 하단에 위치하는 시료수에 전달하기 위해 직경 2 mm의 플라스틱 광섬유(Mitsubishi Co., Japan, SH-8001)를 사용하였다. 그리고 광검출기로는 광증배관(PMT, H5783, Hamamatsu Co., Japan)을 사용하였다. 발광부로부터 조사되어진 광을 발광용 광섬유를 통하여 프로브 하단부의 시료접촉면에 입사되어지며, 시료수 내 미립자 등의 부유물질에 의해 발생되는 산란광 및 미생물에 의해 발생되어진 형광을 90°각도에서 측정하도록 수광용 광섬유에 의해 광증배관으로 전달되도록 하였다. 광증배관에서는 전달된 산란광 및 형광을 증폭하여 전압으로 표시하도록 하였다.
<제 1실험예: 미생물 검출실험>
수중 내 미생물을 검출하기 위해 미생물의 대사과정에서 생산되는 NADH를 본 발명의 프로브를 이용하여 검출실험을 수행하였다. 검출 실험을 위해 β-nicotinamide adenine dinucleotide(NADH)은 씨그마사로부터 구입하여 사용하였다. 시료수는 상기의 NADH를 3차 증류수에 희석하여 제작하였고, 시료수에 340 nm의 파 장대역을 가지는 자외선 광을 조사하였다. 이와 함께 형광분광광도계(F-4500, Hitachi Co., Japan)를 사용하여 NADH에 대한 검출성능을 비교하여 도 3에 나타내었다.
도 3을 참조하면, 시료수 중 NADH의 농도가 0에서 0.5 mM로 농도가 높아짐에 따라 형광방출량도 함께 증가하였으며, 검출 신호의 차는 약 2 V로 매우 높은 감도를 보였다. 그리고 형광분광광도계에 의해 측정된 결과와 비교할 경우 높은 선형성을 나타냈다.
다음으로 시료수 중 실제 미생물 검출실험을 위해 미생물로 E.coli DH5α와 Bacillus subtilis type NCT 3601를 이용하였다. E.coli DH5α와 Bacillus subtilis type NCT 3601를 진탕배양기를 이용하여 24시간 동안 배양하고 원심분리 한 후 증류수로 세척하여 재 원심분리한 다음 미생물만을 취한 후, 3차 증류수에 미생물을 희석하여 시료수를 제조하였다. 미생물 검출 실험은 각각 대장균 및 바실러스를 0 ~ 2.5×103 CFU로 개체수를 달리하여 검출하였으며 그 결과는 도 4에 나타내었다.
도 4를 참조하면, 미생물 개체수의 증가에 따라 감지되는 신호도 함께 선형적으로 증가하였다. 미생물 검출에 있어서 대장균의 경우보다 바실러스의 경우 높은 감도를 나타내었으며, 이러한 현상은 바실러스가 많은 양의 NADH 또는 NADPH를 생산함에 기인하는 것으로 보인다.
<제 2실험예: 초미립자 검출 실험>
초미립자의 검출을 위해 10~20 nm의 입자크기 분포를 가지는 Fe3O4 나노입자를 합성하여 검출실험을 수행하였다.
Fe3O4 나노입자를 합성하기 위해 ferric ammonium sulfate와 iron(Ⅲ) chloride를 1:2 몰비율로 혼합한 후 80 ℃에서 교반과 동시에 28 % 암모늄 수용액을 첨가하여 30분 동안 반응시켜 나노입자를 합성하였다. 이때 반응용액의 pH는 10을 유지하였으며, 반응식은 다음과 같다.
Fe2+ + 2Fe3+ + 8OH- → Fe3O4 + 4H2O
또한 반응 후 증류수와 에탄올을 사용하여 세척한 후 6×103 Gauss의 자석을 이용하여 나노입자와 용액을 분리 한 후 70 ℃에서 진공건조 하였다. 시료수로는 0.45 ㎛의 공극을 가진 셀룰로오스 멤브레인을 사용하여 여과한 3차 증류수에 Fe3O4 나노입자를 희석하여 제조하여 830 nm의 파장대역을 가지는 레이저광을 조사하였다.
도 5는 0에서 0.5 ppm으로 Fe3O4 나노입자의 농도를 달리하여 레이저다이오드에 의한 산란광을 측정한 결과이다. 도 5에서 보는 바와 같이 레이저 광원을 이용한 수질 내 초미립자의 검출에 있어서 높은 선형성과 1.0×10-4 이하의 유의수준을 가지는 것을 확인할 수 있었다.
그리고 일반탁도 용액에 대한 레이저 광원의 영향성을 조사하기 위해 4000 NTU의 표준 포르마진용액(HACH Co., USA)을 3차 증류수에 희석시킨 시료수에 레이 저 광을 조사하여 그 결과를 도 6에 나타내었다.
그 결과 도 6에서와 같이 0에서 10 NTU의 농도로 시료수의 탁도를 변화시켰을 때 상기 도 9의 0 ppm의 초미립자 농도에서와 같은 신호가 검출되었으며, 이러한 결과는 레이저광원이 일반탁도에 대하여 영향을 받지 않아 초미립자 검출에 있어서 높은 선택성을 지님을 보여준다.
<제 3실험예: 일반탁도 검출 실험>
일반탁도 검출을 위해 상기의 포르마진 표준용액을 사용하여 탁도검출 실험을 실시하였다. 이를 위해 4000 NTU의 표준 포르마진용액(HACH Co., USA)을 3차 증류수에 희석시킨 시료수에 860 nm의 파장대역을 가지는 근적외선 LED광을 조사하여 그 결과를 도 7에 나타내었다.
도 7을 참조하면, 포르마진 표준용액을 사용하여 시료수의 탁도 변화를 0에서 1.0 NTU의 농도로 변화시켰을 때, 낮은 농도의 탁도 변화에서 99 % 이상의 높은 선형성을 보였다. 그리고 0.3 NTU 이상에서도 높은 선형성을 보였으나 센서의 감도는 다소 낮아졌다. 이러한 현상은 포르마진의 농도가 증가함에 따라 용액 중 탁도가 높아져 광원으로부터 조사되어진 입사광이 현탁물질에 부딪쳐 산란되고 그 산란된 빛이 검출기로 도달하는 과정에서 현탁물질에 방해를 받음으로써 감도가 낮아진 것으로 보인다.
상기의 결과들로부터 본 발명의 탁도측정용 프로브는 일반 탁도뿐만 아니라 초미립자나 미생물까지도 정밀하게 검출할 수 있어 탁도측정을 정밀하게 수행할 수 있다. 이는 수중에 존재하는 부유물질 중 크기에 따른 각 입자와 미생물의 검출을 산란광을 일으키는 각각 다른 광원을 채택하여 선택성을 부여한 본 발명의 탁도측정용 프로브에 의해 실현된다.
<제 4실험예: 고분자막의 미생물 침착특성>
TMSO: DiMe-DMOS: 증류수: 0.1M HCl의 부피비가 각각 1: 2.45: 1.70: 1.1이 되도록 혼합한 후 3.5 시간동안 가수분해와 축합 반응을 위해 교반하였다. 교반된 졸-겔 용액에서 침전된 소수성 졸을 얻기 위하여 원심분리(조건: 7500 rpm, 5min)를 하였다. 원심 분리하여 얻은 침전된 졸에 50 ul/mL(졸)의 0.1 M 인산완충 용액(0.1 M Potassium phosphate buffer, pH 7)을 첨가하여 소수성 졸-겔을 얻었다. 졸-겔은 직경 12mm의 크기의 유리 표면에 주입한 후 스핀코팅 기법(조건: 1단계 400 rpm, 10 sec, 2단계 1200 rpm, 20 sec)을 표면에 고르게 도포시킨 다음 5일 동안 실온(20℃)에서 건조시켜 투명하고 얇은 고분자막을 형성하였다.
상기의 고분자막에 대한 성능검증을 위하여 고분자막의 미생물 침착력을 테스트하였다. 고분자막이 형성된 유리를 시험구로 하고, 이와 비교되는 대조구로는 고분자막이 형성되지 않은 유리를 이용하였다.
미생물의 침착력 테스트를 위해 Escherichia coli JIM109, Bacillus cereus 318균주를 사용하였다. 본 테스트에서는 Escherichia coli의 배양을 위해 LB 복합배지(Yeast extract: 5 g/L, Tryptone: 10 g/L, NaCl: 10 g/L), Bacillus cereus의 배양을 위해 바실러스용 배지(Glucose: 5 g/L, Peptone: 5 g/L, Yeast extract: 5 g/L, NaHCO3: 3g/L)을 사용하였다. 한편, 배양실험을 수행하기 전 외부 물질에 의한 오염을 방지하기 위해 시험구 및 대조구를 자외선광을 조사하여 24시간동안 멸균처리하였다. Escherichia coli 과Bacillus cereus 배양액에 각각 시험구와 대조구를 투입한 후 37℃, 80rpm조건에서 진탕배양기(KoBiotech Co.,Korea)를 이용하여 24시간동안 배양하였다. 배양 중 일정한 시간 간격으로 수집한 시험구 및 대조구는 미생물의 침착도 측정대상 표면을 증류수로 1 회 세척한 후, 증류수가 담긴 비이커에 넣고 교반기에서 150 rpm으로 3 분간 세척하였다. 부유세포가 제거된 측정대상 표면은 그람염색을 하기 위해 60 ℃에서 10 분간 건조하였고, 침착도 측정 대상 표면에 침착된 미생물을 고정하기 위해 화염멸균을 시켰다. 화염멸균 후 그람염색을 하기 위해 0.2 mL의 크리스탈 바이올렛용액(Crystal violet)을 이용하여 1 분간 염색시켰다. 증류수로 세척된 측정대상 표면은 0.2 mL 요오드(Iodine) 용액으로 다시 1 분간 염색한 후 95 % 에탄올로 세포외막을 탈색시킨 후, 0.2 mL의 샤프라닌 O 용액(Safranin O)으로 1분간 재염색하였다. 최종적으로, 증류수로 세척한 시험구 및 대조구는 70 ℃에서 10분간 건조하여 수분을 제거하였다. 위의 염색과정이 끝난 시험구 및 실험구의 측정 대상 표면을 SEM (Scanning electron microscope) 촬영을 한 후 침착된 미생물의 갯수를 정량적으로 측정하여 그 결과를 도 8 및 도 9에 각각 나타내었다.
도 8은 각종 의약품이나 생물제품의 생산에 가장 많이 이용되는 미생물 중의 하나인 Escherichia coli의 침착특성을 나타내고 있다. 도 8은 일정한 시간별(6, 12, 18, 24시간)로 시료를 수집하였고 각 표면에 침착된 미생물의 SEM 촬영 자료에 근거하여 단위면적(mm2)당 시험구 및 대조구의 표면에 침착된 미생물의 개체수를 정량적으로 나타낸 것이다. 도 8에서 sol-gel coated surface는 시험구를 의미하고, glass는 대조구를 뜻한다.
도 8을 살펴보면, 대조구의 표면에서는 Escherichia coli은 배양 후 6시간에서 약 7.7×104cells/mm2가 침착되었으나, 배양 6시간 이후에는 세포성장 주기에서 정지기와 사멸기에 접어들기 때문에 유리표면에 침착된 미생물의 수가 점차적으로 감소하였다.
이에 비해 시험구에서는 배양 후 18시간에서 단위면적당 침착된 Escherichia coli의 수가 대조구에 침착된 미생물의 최대 개체수에 비해 97%이상 감소하였다. 즉, 고분자막을 구성하는 소수성의 졸-겔은 그람 음성균인 미생물과 막표면 사이의 물리적 상호 결합력을 감소시켜 미생물의 침착을 방지함을 알 수 있다.
도 9는 Bacillus cereus의 침착특성을 나타내고 있다. 도 9는 일정한 시간별(3, 6, 12, 18, 24시간)로 시료를 수집하였고 각 표면에 침착된 미생물의 SEM 촬영 자료에 근거하여 단위면적(mm2)당 시험구 및 대조구의 표면에 침착된 미생물의 개체수를 정량적으로 나타낸 것이다. 도 9에서 sol-gel coated surface는 시험구를 의미하고, glass는 대조구를 뜻한다.
도 9를 살펴보면, 대조구에서 Bacillus cereus는 배양 후 12시간에서 약 3.2×104cells/mm2 침착되었고, 12시간 이후 사멸기에 접어들면서 침착된 미생물이 수 가 크게 감소하였다. 이에 비해 시험구에 침착된 Bacillus cereus는 배양 3시간 후에 최대 침착 세포의 수가 6.2×102cells/mm2로서 대조구에 비해 약 98%이상 감소하였다. 따라서 고분자막은 그람 양성균인 Bacillus cereus 미생물의 침착을 방지할 수 있음을 알 수 있다.
<제 5실험예: 고분자막의 검출성능>
본 테스트는 부유물질 및 미생물의 검출시 고분자막이 성능향상에 어떠한 영향을 미치는지 알아보기 위해 시행하였다.
공통실험 조건으로 고분자막이 형성된 발광창 및 수광창을 장착한 프로브와 고분자막이 형성되진 않은 발광창 및 수광창을 장착한 프로브를 정확한 실험을 위해 수중에서 10일간 방치한 후 수행하였다.
수중에서 10일간 방치된 각 프로브(Coating and Non-coating)를 이용하여 포르마진 표준용액으로 제조한 0.0, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1.0 NTU 샘플에 도입하여 농도에 따른 출력값을 조사하여 도 10에 나타내었다.
그리고 수중에서 10일간 방치된 탁도센서(Coating and Non-coating)는 각각 0.00, 0.05, 0.10, 0.15, 0.20, 0.25, 0.30 CFU(cells/mL)의 미생물 샘플에 도입하여 농도에 따른 센서의 출력값을 조사하여 도 11에 나타내었다.
도 10 및 도 11에 나타난 바와 같이 고분자막이 코팅된 발광창 및 수광창이 장착된 프로브를 이용한 경우 출력값이 부유물질이나 미생물의 농도에 비례해 선형적으로 증가하고, 고분자막이 코팅되지 않은 발광창 및 수광창을 장착한 프로브를 이용한 결과에 비해 더 정확한 출력값을 나타내고 있다. 이로써 고분자막이 형성된 프로브의 성능이 크게 향상됨을 알 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 탁도 측정용 프로브의 내부를 나타내는 단면도이고,
도 2는 시료수에 존재하는 미생물의 NADH에 자외선 광을 조사시 발생하는 형광을 3차원 스펙트럼으로 나타낸 그래프이고,
도 3은 본 발명의 탁도 측정용 프로브를 이용하여 NADH의 농도에 따른 형광 검출량을 측정한 그래프이고,
도 4는 본 발명의 탁도 측정용 프로브를 이용하여 미생물의 농도에 따른 형광 검출량을 측정한 그래프이고,
도 5는 본 발명의 탁도 측정용 프로브를 이용하여 시료수에 존재하는 초미립자의 농도에 따른 산란광 검출량을 측정한 그래프이고,
도 6은 본 발명의 탁도 측정용 프로브에 적용되는 레이저 광원의 포르마진 표준용액에서의 영향성을 나타내는 그래프이고,
도 7은 본 발명의 탁도 측정용 프로브를 이용하여 포르마진 표준용액에서 농도에 따른 산란광 검출량을 측정한 그래프이고,
도 8은 시험구와 대조구의 표면에 침착된 E.coil JM109를 나타내는 SEM사진과 이를 정량적으로 나타낸 그래프이고,
도 9는 시험구와 대조구의 표면에 침착된 B.cereus 318을 나타내는 SEM사진과 이를 정량적으로 나타낸 그래프이고,
도 10은 본 발명의 탁도 측정용 프로브를 이용하여 포르마진 표준용액에서 농도에 따른 출력값을 나타내는 그래프이고,
도 11은 본 발명의 탁도 측정용 프로브를 이용하여 미생물 농도에 따른 출력값을 나타내는 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10: 프로브 20: 하우징
25: 발광창 27: 수광창
30: 발광부 31: 제 1램프
33: 제 2램프 35: 제 3램프
40: 광검출기 50: 발광용 광섬유
60: 수광용 광섬유 80: 고분자막
Claims (4)
- 광이 투과되는 발광창 및 수광창이 마련된 하우징과;상기 하우징에 내장되며 상기 발광창을 통해 상기 하우징의 외부에 위치하는 시료수로 광을 발산하는 발광부와;상기 하우징에 내장되며 상기 수광창을 통해 입사되는 광을 검출하는 광검출기와;상기 발광창 및 상기 수광창의 표면에 각각 형성되며 상기 시료수 중에 함유된 미생물 또는 부유물질의 침착을 방지하기 위한 고분자막;을 구비하는 것을 특징으로 하는 탁도 측정용 프로브.
- 제 1항에 있어서, 상기 고분자막은 디메톡시디메틸실란 및 테트라메틸오르도실리케이트를 전구체로 하여 졸겔법에 의해 조성된 졸-겔을 상기 발광창 및 상기 수광창에 코팅하여 형성된 것을 특징으로 하는 탁도측정용 프로브.
- 제 1항에 있어서, 상기 발광부는 상기 시료수 중에 함유되어 있는 미생물을 검출하기 위해 자외선 광을 발산하는 제 1램프와, 미립자를 검출하기 위해 레이저광을 발산하는 제 2램프와, 일반 탁도를 검출하기 위해 적외선광을 발산하는 제 3램프를 구비하는 것을 특징으로 하는 탁도측정용 프로브.
- 제 3항에 있어서, 상기 제 1 , 제 2 및 제 3램프로부터 각각 발산되는 광을 상기 발광창으로 전달하는 발광용 광섬유와;상기 수광창을 통해 입사되는 광을 상기 광검출기로 전달하는 수광용 광섬유;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 탁도 측정용 프로브.
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