KR20120059006A - ｐＨ를 측정하기 위한 장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 의한 PH를 측정하기 위한 장치 및 그 방법이 개시된다.
본 발명에 따른 pH를 측정하기 위한 장치는 지시 용액이 주입되고 소정 위치에 pH 감응물질이 고정되어 있는 지시 미세채널; pH를 측정하고자 하는 반응 수용액 또는 대상 수용액이 주입되고, 소정 위치에 pH 감응물질이 고정되어 있는 반응 미세채널; 및 상기 지시 미세채널과 상기 반응 미세채널을 연결하고 그 일측에 상기 지시 용액과 상기 대상 수용액의 반응에 따라 pH를 확인하기 위한 눈금이 표시되어 있는 연결 미세채널을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이를 통해 본 발명은 별도의 판독기가 필요없이 시각적으로 pH를 측정할 수 있고, 고체 기판에 유체가 흐르는 미세 유체채널이 존재하는 단순한 구조를 이용하기 때문에 바이오 칩 분야에 적용할 수도 있다.

Description

ｐＨ를 측정하기 위한 장치 및 그 방법{APPARATUS FOR MEASURING PH AND METHOD THEREOF}
본 발명은 pH 측정 장치에 관한 것으로, 특히, 일정한 유량속도로 수용액이 pH 감응물질이 존재하는 반응 미세채널 내부에 흐를 경우 수용액의 pH에 따라 pH 감응물질의 부피가 변화하는데 그 부피 변화에 따라 pH 감응물질이 존재하는 영역에서 야기되는 압력 변화를 측정함으로써, pH를 측정할 수 있도록 하는 pH를 측정하기 위한 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
pH는 화학 및 생물학 및 의학 분야에서 널리 사용되는 측정값으로, 수용액 속의 산성도 또는 염기성도의 측정치를 의미한다. pH를 측정하기 위해서는 다양한 기술들이 개발되었는데, 전위차법(potentiometery)이 널리 사용되고 있다.
원리적인 측면에서 전위차법은 수용액에 포함되어 있는 수소이온과 선택적으로 결합하여 계면에서의 전위차가 변화하는 감응막을 이용하여 감응막의 전위차 변화를 측정하도록 되어 있다. 이를 위해서, 감응막과 이러한 막전위차를 측정하기 위한 내부전극, 기준전극, 그리고, 판독기로 구성된다.
또한, 최근에는 내부전극, 감응막, 기준전극이 소형으로 집적된 센서가 개발되고 있으며, 이를 외부의 판독기와 전선으로 연결하여 사용하고 있는 실정이다.
그러나, 기존의 전위차법을 이용한 pH 측정은 필연적으로 판독기에 연결하여 pH값을 확인하여야 하기 때문에, 실험실 밖의 현장 검사에서는 판독기를 들고 다녀야 하는 문제점을 있다. 또한, 소형화된 센서를 이용한다 하더라도 최근에 널리 활용되고 있는 바이오칩에 내장하기에는 물리적인 한계를 가진다.
따라서 본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 일정한 유량속도로 수용액이 pH 감응물질이 존재하는 반응 미세채널 내부에 흐를 경우 수용액의 pH에 따라 pH 감응물질의 부피가 변화하는데 그 부피 변화에 따라 pH 감응물질이 존재하는 영역에서 야기되는 압력 변화를 측정함으로써, pH를 측정할 수 있도록 하는 pH를 측정하기 위한 장치 및 그 방법을 제공하는데 있다.
이를 위하여, 본 발명의 다른 한 관점에 따른 pH를 측정하기 위한 장치는 지시 용액이 주입되고 소정 위치에 pH 감응물질이 고정되어 있는 지시 미세채널; pH를 측정하고자 하는 반응 수용액 또는 대상 수용액이 주입되고, 소정 위치에 pH 감응물질이 고정되어 있는 반응 미세채널; 및 상기 지시 미세채널과 상기 반응 미세채널을 연결하고 그 일측에 상기 지시 용액과 상기 대상 수용액의 반응에 따라 pH를 확인하기 위한 눈금이 표시되어 있는 연결 미세채널을 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 지시 미세채널과 상기 반응 미세채널은 채널의 단면적이 동일하고, 상기 지시 액체와 상기 대상 수용액이 상기 지시 미세채널과 상기 반응 미세채널 각각에 일정한 부피속도로 주입되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 pH 감응물질은 상기 지시 미세채널의 소정 위치에 고정되되 상기 연결 미세채널이 연결되는 연결부위에 고정되고, 상기 반응 미세채널의 소정 위치에 고정되되, 상기 연결 미세채널이 연결되는 연결부위에 고정되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 pH 감응물질은 상기 지시 용액과 상기 대상 수용액의 pH에 따라 그 부피가 변화하는 것을 특징으로 한다.
필요에 따라, 상기 pH 감응물질은 하이드로겔 재료를 사용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 한 관점에 따른 pH를 측정하기 위한 장치는 pH를 측정하고자 하는 반응 수용액 또는 대상 수용액이 주입되고, 소정 위치에 pH 감응물질이 고정되어 있는 반응 미세채널; 및 지시 용액이 주입되어 있고, 상기 반응 미세채널에 연결되어 그 일측에 상기 지시 용액과 상기 대상 수용액의 반응에 따라 pH를 확인하기 위한 눈금이 표시되어 지시 미세채널을 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 지시 미세채널은 상기 반응 미세채널에 연결되되, 상기 반응 미세채널의 중심에서 동일한 거리만큼 이격된 일측과 타측에 그 양끝이 연결되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 pH 감응물질은 상기 반응 미세채널의 소정 위치에 고정되되 상기 지시 미세채널이 연결되는 연결 부위 중 한 곳에 고정되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 pH 감응물질은 상기 지시 용액과 상기 대상 수용액의 pH에 따라 그 부피가 변화하는 것을 특징으로 한다.
필요에 따라, 상기 pH 감응물질은 하이드로겔 재료를 사용하는 것을 특징으로 한다.
이를 통해, 본 발명은 일정한 유량속도로 수용액이 pH 감응물질이 존재하는 반응 미세채널 내부에 흐를 경우 수용액의 pH에 따라 pH 감응물질의 부피가 변화하는데 그 부피 변화에 따라 pH 감응물질이 존재하는 영역에서 야기되는 압력 변화를 측정함으로써, 별도의 판독기가 필요없이 시각적으로 pH를 측정할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 고체 기판에 유체가 흐르는 미세 유체채널이 존재하는 단순한 구조를 이용하기 때문에 바이오 칩 분야에 적용할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 pH를 측정하기 위한 장치를 나타내는 제1 예시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 pH 측정 장치의 동작 원리를 설명하기 위한 예시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 pH를 측정하기 위한 장치를 나타내는 제2 예시도이다.
도 4는 도 3에 도시된 pH 측정 장치의 동작 원리를 설명하기 위한 예시도이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 pH를 측정하기 위한 장치 및 그 방법을 첨부된 도 1 내지 도 4를 참조하여 상세히 설명한다.
특히, 본 발명은 전위차법이 아닌, 일정한 유량속도로 수용액이 pH 감응물질이 존재하는 반응 미세채널 내부에 흐를 경우 수용액의 pH에 따라 pH 감응물질의 부피가 변화하게 되는데 그 부피 변화에 따라 pH 감응물질이 존재하는 영역에서 야기되는 압력의 변화를 측정함으로써, 이를 통해 pH를 측정할 수 있는 방안을 제안한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 pH를 측정하기 위한 장치를 나타내는 제1 예시도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 pH 측정 장치는 고체 기판(110), 고체 기판(110) 상에 유체가 흐를 수 있도록 형성되는 반응 미세채널(120), 지시 미세채널(130), 및 연결 미세채널(140) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
반응 미세채널(120)과 지시 미세채널(130)은 채널의 단면적이 동일하고, 반응 미세채널(120)에는 반응 수용액 또는 대상 수용액이 주입되고 지시 미세채널(130)에는 지시 액체가 주입되되, 반응 수용액과 지시 액체가 일정한 부피속도로 주입된다.
반응 미세채널(120)과 지시 미세채널(130)은 연결 미세채널(140)에 의해서 연결될 수 있다. 이때, 반응 미세채널(120)과 연결 미세채널(140)의 연결 부위에는 pH 감응물질이 고정되고, 지시 미세채널(130)과 연결 미세채널(140)의 연결 부위에도 pH 감응물질이 고정될 수 있다.
여기서, pH 감응물질은 지시 용액 또는 대상 수용액의 pH에 따라 그 부피가 변화할 수 있는데, 예컨대, 하이드로겔 재료 등을 이용하는 것이 바람직하다. 하이드로겔은 친수성의 고분자 물질의 네트워크로 형성되며 네트워크 내부에 수분을 흡수하여 부피를 변화시킬 수 있다.
이러한 하이드로겔의 조성변화를 통해 하이드로겔 주위의 수용액의 pH에 따라 수분의 흡수도를 변경시킬 수 있으며 결과적으로 pH의 변화에 따라 수분 흡수에 따른 부피가 변화하게 되는데, 본 발명은 이러한 원리를 이용하고자 한다.
연결 미세채널(140)에는 pH를 표시하는 눈금(150)이 일측면에 표시되어 있으며, 지시 액체와 반응 수용액의 반응에 따라 수용액의 pH를 시각적으로 확인할 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 pH 측정 장치의 동작 원리를 설명하기 위한 예시도이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 PH 측정 장치는 단면적이 동일한 지시 미세채널과 반응 미세채널은 연결 미세채널에 의해서 연결되어 있으며, 각각의 연결부위에 동일한 부피의 pH 감응물질이 고정되어 있다. 또한, pH 감응물질의 한가지 예로, pH가 높아짐에 따라 부피가 증가하는 하이드로겔을 사용할 수 있다.
그림 (a)는 pH가 동일한 반응 수용액과 지시 액체를 사용하는 경우로서, 지시 미세채널에는 일정한 pH를 가지고 있는 지시 액체가 일정한 부피속도(volume rate)로 주입되고 있으며 반응채널에는 pH를 측정하고자 하는 대상수용액이 지시액체의 부피속도와 동일하게 주입시킨다. 이때, 동일한 pH의 액체가 각 채널에 흐르기 때문에, 각 채널에 있는 pH 감응물질의 부피는 동일하다. 따라서 pH 감응물질이 존재하는 부분에서의 압력은 일정하며, 연결부위를 통해 각 채널 수용액이 접하는 계면은 연결 미세채널의 중앙에 위치에 있게 된다.
그림 (b)는 반응 수용액의 pH가 지시 액체의 pH보다 높아지는 경우로서, 반응 미세채널에 고정화되어 있는 pH 감응물질의 부피는 증가하고 국부적인 채널의 단면적 감소가 발생한다. 이에 따라, 일정한 부피속도를 유지하는 대상 수용액의 선속도는 증가하게 된다.
이러한 부피속도와 선속도의 관계는 다음의 [수학식 1]과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
부피속도 = 채널단면적 x 선속도
그래서 선속도가 증가하면, 유체역학적인 측면에서 하이드로겔 부근에서의 압력이 낮아진다. 이러한 현상은 베르누이 정리를 통해서도 쉽게 설명될 수 있다. 하이드로겔 부근의 압력이 낮아지면, 결과적으로 연결 미세채널의 대상 수용액과 지시액체간의 계면은 압력이 낮은 쪽 즉, 반응 미세채널쪽으로 이동한다.
그림 (c)는 반응 수용액의 pH가 지시 액체의 pH보다 낮아지는 경우로서, 반응 미세채널에 고정화되어 있는 pH 감응물질의 부피는 감소하고 국부적인 채널의 단면적이 증가한다. 이에 따라, 일정한 부피속도를 유지하는 액체의 선속도는 감소하게 되고, 하이드로겔 부근의 압력은 높아진다.
하이드로겔 근방의 압력이 높아지면, 결과적으로 연결채널의 대상 수용액과 지시액체 간의 계면은 압력은 낮은쪽 즉, 지시 미세채널쪽으로 이동한다.
이렇게 본 발명에 따른 pH 측정 장치는 지시 액체와 반응 수용액을 비교하여 반응 수용액의 pH가 변화함에 따라 연결 미세채널의 두 수용액 간의 계면의 위치 변화를 연결 미세채널에 표시되어 있는 눈금을 통해서 확인할 수 있으며, 결과적으로 반응 수용액 또는 대상 수용액의 pH를 시각적으로 확인할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 pH를 측정하기 위한 장치를 나타내는 제2 예시도이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 pH 측정 장치는 도 1과는 다른 구조로 고체 기판(110), 고체 기판(110) 상에 유체가 흐를 수 있도록 형성되는 반응 미세채널(120), 및 지시 미세채널(130) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
반응 미세채널(120)과 지시 미세채널(130)은 채널의 단면적이 다르고, 반응 미세채널(120)과 지시 미세채널(130)이 서로 연결되되, 반응 미세채널(120)의 중심에서 동일한 거리만큼 이격된 일측과 타측에 지시 미세채널(130)이 연결될 수 있다.
반응 미세채널(120)과 지시 미세채널(130)의 연결 부위 중 한 곳에 pH 감응물질이 고정될 수 있다. 반응 미세채널(120)에는 지시 액체가 존재하고 반응 미세채널(120)에는 반응 수용액 또는 대상 수용액이 일정한 부피속도로 주입된다.
지시 미세채널(140)에는 pH를 표시하는 눈금(150)이 일측면에 표시되어 있으며, 지시 액체와 반응 수용액의 반응에 따라 수용액의 pH를 시각적으로 확인할 수 있다.
도 4는 도 3에 도시된 pH 측정 장치의 동작 원리를 설명하기 위한 예시도이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 pH 측정 장치는 반응 미세채널에 지시 미세채널의 양끝이 연결되어 있으며, 반응 미세채널과 지시 미세채널의 연결 부위 중 한 곳에 pH 감응물질이 고정될 수 있다. 또한, pH 감응물질의 한가지 예로, pH가 높아짐에 따라 부피가 증가하는 하이드로겔을 사용할 수 있다.
pH를 측정하고자 하는 대상 수용액을 일정한 부피속도로 반응 미세채널에 주입하면, 하이드로겔의 부피로 인해 지시 미세채널과 연결되어 있는 반응 미세채널의 두 연결 부위 중 한쪽에는 단면적이 작아지며, 이에 따라, 국부적인 선속도차이가 발생한다. 이러한 선속도차이는 베르누이 정리에 의해 두 연결 부위의 압력차를 발생시키며, 이러한 압력차이는 지시 미세채널의 지시 액체의 위치 변화로 나타난다.
즉, 그림 (a)에서는 pH 값 pH0인 대상 수용액을 주입하는 경우로서, 지시미세채널(140)에는 pH를 표시하는 눈금의 특정 위치에 지시 용액이 위치하게 된다.
그림 (b)에서는 pH가 pH0보다 작은 대상 수용액을 주입하는 경우로서, 반응 미세채널에 고정화되어 있는 pH 감응물질의 부피는 감소하고, 지시 미채채널(140)이 연결된 양쪽 부위 중, pH 감응물질이 있는 위치에서의 압력이 pH 감응물질이 없는 부위보다 높아진다. 결과적으로, 지시 미세채널(140)에는 pH0일 때 위치해 있는 지시용액이 오른쪽으로 치우쳐서 위치하게 된다.
그림 (c)에서는 pH가 pH0보다 큰 대상 수용액을 주입하는 경우로서, 반응 미세채널에 고정화되어 있는 pH 감응물질의 부피는 증가하고, 지시 미채채널(140)이 연결된 양쪽 부위 중, pH 감응물질이 있는 위치에서의 압력이 pH 감응물질이 없는 부위보다 낮아진다. 결과적으로, 지시 미세채널(140)에는 pH0일 때 위치해 있는 지시용액이 왼쪽으로 치우쳐서 위치하게 된다.
이러한 지시 액체의 위치 변화를 확인함으로써, 대상 수용액의 pH를 확인할 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 본 발명은 일정한 유량속도로 수용액이 pH 감응물질이 존재하는 반응 미세채널 내부에 흐를 경우 수용액의 pH에 따라 pH 감응물질의 부피가 변화하는데 그 부피 변화에 따라 pH 감응물질이 존재하는 영역에서 야기되는 압력 변화를 측정함으로써, 별도의 판독기가 필요없이 시각적으로 pH를 측정할 수 있고, 고체 기판에 유체가 흐르는 미세 유체채널이 존재하는 단순한 구조를 이용하기 때문에 바이오 칩 분야에 적용할 수도 있다.
본 발명에 의한, pH를 측정하기 위한 장치 및 그 방법은 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 형태로 변형, 응용 가능하며 상기 실시예에 한정되지 않는다. 또한, 상기 실시 예와 도면은 발명의 내용을 상세히 설명하기 위한 목적일 뿐, 발명의 기술적 사상의 범위를 한정하고자 하는 목적은 아니며, 이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형, 및 변경이 가능하므로 상기 실시 예 및 첨부된 도면에 한정되는 것은 아님은 물론이며, 후술하는 청구범위뿐만이 아니라 청구범위와 균등 범위를 포함하여 판단되어야 한다.
110: 고체 기판
120: 반응 미세채널
130: 지시 미세채널
140: 연결 미세채널
150: 눈금

Claims (10)

  1. 지시 용액이 주입되고 소정 위치에 pH 감응물질이 고정되어 있는 지시 미세채널;
    pH를 측정하고자 하는 반응 수용액 또는 대상 수용액이 주입되고, 소정 위치에 pH 감응물질이 고정되어 있는 반응 미세채널; 및
    상기 지시 미세채널과 상기 반응 미세채널을 연결하고 그 일측에 상기 지시 용액과 상기 대상 수용액의 반응에 따라 pH를 확인하기 위한 눈금이 표시되어 있는 연결 미세채널
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 pH를 측정하기 위한 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 지시 미세채널과 상기 반응 미세채널은 채널의 단면적이 동일하고, 상기 지시 액체와 상기 대상 수용액이 상기 지시 미세채널과 상기 반응 미세채널 각각에 일정한 부피속도로 주입되는 것을 특징으로 하는 pH를 측정하기 위한 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 pH 감응물질은,
    상기 지시 미세채널의 소정 위치에 고정되되 상기 연결 미세채널이 연결되는 연결부위에 고정되고, 상기 반응 미세채널의 소정 위치에 고정되되, 상기 연결 미세채널이 연결되는 연결부위에 고정되는 것을 특징으로 하는 pH를 측정하기 위한 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 pH 감응물질은,
    상기 지시 용액과 상기 대상 수용액의 pH에 따라 그 부피가 변화하는 것을 특징으로 하는 pH를 측정하기 위한 장치
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 pH 감응물질은,
    하이드로겔 재료를 사용하는 것을 특징으로 하는 pH를 측정하기 위한 장치.
  6. pH를 측정하고자 하는 반응 수용액 또는 대상 수용액이 주입되고, 소정 위치에 pH 감응물질이 고정되어 있는 반응 미세채널; 및
    지시 용액이 주입되어 있고, 상기 반응 미세채널에 연결되어 그 일측에 상기 지시 용액과 상기 대상 수용액의 반응에 따라 pH를 확인하기 위한 눈금이 표시되어 지시 미세채널
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 pH를 측정하기 위한 장치.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 지시 미세채널은,
    상기 반응 미세채널에 연결되되, 상기 반응 미세채널의 중심에서 동일한 거리만큼 이격된 일측과 타측에 그 양끝이 연결되는 것을 특징으로 하는 pH를 측정하기 위한 장치.
  8. 제6 항에 있어서,
    상기 pH 감응물질은,
    상기 반응 미세채널의 소정 위치에 고정되되 상기 지시 미세채널이 연결되는 연결 부위 중 한 곳에 고정되는 것을 특징으로 하는 pH를 측정하기 위한 장치.
  9. 제6 항에 있어서,
    상기 pH 감응물질은,
    상기 지시 용액과 상기 대상 수용액의 pH에 따라 그 부피가 변화하는 것을 특징으로 하는 pH를 측정하기 위한 장치
  10. 제6 항에 있어서,
    상기 pH 감응물질은,
    하이드로겔 재료를 사용하는 것을 특징으로 하는 pH를 측정하기 위한 장치.
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