KR20130107069A

KR20130107069A - 수질 분석장치, 및 이를 이용한 수질 분석방법

Info

Publication number: KR20130107069A
Application number: KR1020120028868A
Authority: KR
Inventors: 조윤경; 황현두
Original assignee: 국립대학법인 울산과학기술대학교 산학협력단
Priority date: 2012-03-21
Filing date: 2012-03-21
Publication date: 2013-10-01
Also published as: KR101325725B1

Abstract

본 발명의 일 측면에 따른 수질 분석장치는 플랫폼과, 상기 플랫폼의 내부에 형성된 복수의 챔버들, 및 상기 챔버들 사이에 위치하는 밸브를 포함하고, 질산염, 아질산염, 규산염, 인산염, 암모늄염으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상의 물질을 복수개로 동시에 분석하는 것을 특징으로 한다.

Description

수질 분석장치, 및 이를 이용한 수질 분석방법 {WATER ANALYSING APPRATUS AND WATER ANALYSING METHOD USING THEREOF}

본 발명은 물에 포함된 성분을 분석할 수 있는 수질 분석장치, 및 수질 분석방법에 관한 것이다.

바다, 강, 지하수 등 우리 주변에 존재하는 물의 상태를 파악하는 것은 인간을 비롯한 생물들의 건강과 생태계를 유지하는데 매우 중요하다. 특히 질산염이나 인산염과 같은 영양염들은 생태계와 인간의 건강에 큰 영향을 미친다.

예를 들어, 경작과 산업 발전에 의해 증가한 영양염의 농도는 과영양화에 의한 미세조류의 과대증식을 유발하고, 이는 산소 고갈과 물고기 폐사로 이어져, 생태계 파괴의 원인이 될 수 있다.

뿐만 아니라, 과량의 영양염 섭취는 인간의 건강에도 악영향을 끼칠 수 있는데, 한 예로써, 아기들이 과량의 질산염이 포함된 물을 마실 경우, 혈중 헤모글로빈의 산소 운반 능력을 감소시키게 되어, 푸른 아기 신드롬 (blue baby syndrome)과 같은 질병을 야기하게 된다.

상기와 같이 수질 상태는 생태계와 인간에게 큰 영향을 미치기에, 지속적이고 정확한 수질 분석이 필수적으로 요구되나, 사람의 손으로 모든 실험을 수행해야 하는 고전적인 수질 분석법들은 매우 노동집약적이며, 수십 mL 이상의 많은 샘플과 시약이 필요하고, 수 시간 이상의 오랜 시간이 요구된다는 단점이 있다.

이러한 한계를 극복하기 위하여, 자동 수질 분석장치를 개발하기 위한 노력이 계속되어 왔다. 널리 이용되고 있는 대표적인 방식으로써 FIA(flow injection analysis) 기술을 기반으로 한 자동 수질 분석장치가 있다[Analyst, Vol. 126, pp. 1947-1952 (2001)].

FIA 시스템에서는 자동으로 조작되는 정교한 밸브와 펌프, 샘플 수집 장치 등을 이용하여, 많은 수의 샘플을 순차적으로 자동 분석하게 된다. 샘플 수집 장치를 통해 수 mL의 샘플이 흡입되면, 일정량이 튜빙을 통해 이동하여 시약과 만나 혼합되면서 반응을 일으키고, 그 결과를 분광장치로 검출하게 된다. 튜빙 내에서 일어나는 이러한 일련의 과정들이 다수의 펌프와 밸브에 의해 자동으로 제어되는 것이다. 하지만 FIA 시스템은 여전히 많은 양의 샘플과 시약이 필요하며, 튜빙, 커넥터 등 많은 소모품을 사용하여야만 한다. 뿐만 아니라, 다수의 샘플을 순차적으로 처리하고자 할 때, 복잡한 시스템의 특성상, 처리과정의 최적화를 위해 많은 시간과 노력이 요구된다.

최근에는 이러한 문제를 해결하고자 미세유체공학 장치(microfluidic device)를 이용한 수질 분석장치도 개발된 바 있다 [Anal. Methods, Vol. 2, pp. 484-491 (2010)]. 하지만, 이러한 미세유체공학 장치 또한 실린지 펌프를 이용한 정교한 유체 제어가 필요하며, 흡광도 측정과 같은 측정 방법을 이용할 시, 충분한 길이의 광경로(optical path length)를 확보하기 어려워, 고감도 검출이 힘들다는 단점이 있다.

본 발명은 빠른 시간 안에 간편하게 수질을 분석할 수 있는 수질 분석장치, 및 이를 이용한 수질 분석방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따른 수질 분석장치는 플랫폼과, 상기 플랫폼의 내부에 형성된 복수의 챔버들, 및 상기 챔버들 사이에 위치하는 밸브를 포함하고, 질산염, 아질산염, 규산염, 인산염, 암모늄염으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질을 복수개로 동시에 분석하는 것을 특징으로 한다.

상기 플랫폼에는 상기 챔버와 상기 밸브로 이루어진 복수 개의 분석 라인과, 상기 분석 라인에 연결된 시료 주입챔버가 형성되고, 상기 분석 라인은 질산염의 분석을 위한 제1 분석라인, 아질산염의 분석을 위한 제2 분석라인, 규산염의 분석을 위한 제3 분석라인, 인산염의 분석을 위한 제4 분석라인, 암모늄염의 분석을 위한 제5 분석라인으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.

상기 시료 주입챔버에는 불순물을 분리하는 필터부가 연결 설치될 수 있으며, 상기 필터부는 상기 시료 주입챔버에서 반경 방향으로 제일 외측에 위치한 측면에 형성된 복수 개의 돌기들로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 필터부는 상기 시료 주입챔버에 연결 설치된 다공성 폴리머 또는 다공성 세라믹으로 이루어질 수 있다.

상기 챔버 내에는 시약이 보관되는 공간을 갖는 바디부와 상기 바디부에 형성된 개구에 설치된 마개밸브를 갖는 시약 보관용기가 설치될 수 있다.

상기 제1 분석라인은 상기 시료 주입챔버에 연결 설치된 제1 미터링챔버와, 상기 제1 미터링챔버에 연결 설치된 제1 중간 반응챔버를 포함하고, 상기 제1 중간 반응챔버 내에 산화제가 수용된 상기 시약 보관용기가 설치되며, 상기 제1 중간 반응챔버에는 상기 제1 중간 반응챔버 보다 상기 플랫폼의 회전 중심에서 더 가깝게 위치하며 페놀용액이 수용된 서브챔버가 연결 설치될 수 있다.

상기 제1 분석라인은 상기 제1 중간 반응챔버에 연결 설치된 제1 최종 반응챔버를 더 포함하고, 상기 제1 최종 반응챔버에는 카드뮴(cadmium) 파티클들을 포함하는 시약이 수용될 수 있다.

상기 제1 분석라인은 제1 최종 반응챔버에 연결 설치된 제1 분석챔버를 더 포함하고, 상기 제1 분석챔버에는 설파닐산(Sulfanilic acid)과 크로모트로프산(chromotropic acid)를 포함하는 시약이 수용될 수 있다.

상기 마개밸브는 열, 빛, 또는 전자기파 에너지에 의하여 상전이 되어 상기 바디부의 개방을 통제할 수 있으며, 상기 마개밸브는 왁스에 흡광성 미세입자가 포함된 물질로 이루어질 수 있다.

상기 바디부와 상기 바디부에 수용된 시약의 반응성은 상기 챔버를 형성하는 물질과 상기 바디부에 수용된 시약의 반응성보다 더 작게 형성될 수 있으며, 상기 제2 분석라인은 상기 시료 주입챔버에 연결 설치된 제2 미터링챔버와, 상기 제2 미터링챔버에 연결 설치된 제2 분석챔버를 포함하고, 상기 제2 분석챔버에는 설파닐산(Sulfanilic acid)과 크로모트로프산(chromotropic acid)를 포함하는 시약이 수용될 수 있다.

상기 제3 분석라인은 상기 시료 주입챔버에 연결 설치된 제3 미터링챔버와, 상기 제3 미터링챔버에 연결 설치된 제3 중간 반응챔버를 포함하고, 상기 제3 중간 반응챔버에는 몰리브덴산염(molybdate)을 포함하는 시약이 수용될 수 있다.

상기 제3 분석라인은 상기 제3 중간 반응챔버에 연결 설치된 제3 최종 반응챔버를 더 포함하고, 상기 제3 최종 반응챔버에는 술팜산(sulfamic acid)을 포함하는 시약이 수용될 수 있다.

상기 제3 분석라인은 상기 제3 최종 반응챔버에 연결 설치된 제3 분석챔버를 더 포함하고, 상기 제3 분석챔버에는 시트르산(Citric acid)을 포함하는 시약이 수용될 수 있다.

상기 제4 분석라인은 상기 시료 주입챔버에 연결 설치된 제4 미터링챔버와, 상기 제4 미터링챔버에 연결 설치된 제4 분석챔버를 포함하고, 상기 제4 분석챔버에는 몰리브덴산염(molybdate)과 아스코르브산(ascorbic acid)을 포함하는 시약이 수용될 수 있다.

상기 제5 분석라인은 상기 시료 주입챔버에 연결 설치된 제5 미터링챔버와, 상기 제5 미터링챔버에 연결 설치된 제5 반응챔버를 포함하고, 상기 제5 반응챔버에는 이염화아이소사이아누르산나트륨(Sodium Dichloroisocyanurate)이 포함된 시약이 수용될 수 있다.

상기 제5 분석라인은 상기 제5 반응챔버에 연결 설치된 제5 분석챔버를 더 포함하고, 상기 제5 분석챔버는 살리실산나트륨(sodium salicylate)과 니트로프루시드나트륨(sodium nitroprusside)을 포함하는 시약이 수용될 수 있다.

상기 플랫폼은 회전 가능한 디스크 형상으로 이루어질 수 있으며, 상기 플랫폼에는 상기 플랫폼을 회전시키는 모터가 연결 설치될 수 있다.

또한, 상기 밸브는 열, 빛, 또는 전자기파 에너지에 의하여 상전이 되어 상기 챔버들의 연통을 통제할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따른 수질 분석방법은 플랫폼과, 상기 플랫폼의 내부에 형성된 복수의 챔버들, 및 상기 챔버들 사이에 위치하는 밸브를 포함하는 수질 분석장치를 이용한 수질 분석방법으로서, 시료 주입챔버의 연통을 통제하는 밸브를 개방하는 밸브개방 단계와, 상기 플랫폼의 회전으로 상기 시료 주입챔버에 수용된 시료를 분석챔버로 이송시키는 이송 단계, 및 분광기를 이용하여 상기 분석챔버에서 시료의 성분을 분석하는 분석 단계를 포함하며, 질산염, 아질산염, 규산염, 인산염, 암모늄염으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질을 복수개로 동시에 분석하는 것을 특징으로 한다.

수질 분석방법은 시료에 포함된 불순물을 분리하는 필터링 단계를 더 포함하고, 상기 필터링 단계는 상기 밸브개방 단계 이전 또는 이후에 실시될 수 있으며, 상기 필터링 단계에서는 상기 시료 주입챔버에 형성된 복수 개의 돌기들 사이에 입자상 불순물을 삽입시켜서 분리할 수 있다.

상기 이송단계는 상기 시료 주입챔버에서 복수 개의 미터링챔버로 시료를 이송시키는 단계를 포함할 수 있으며, 상기 이송단계는, 제1 미터링챔버에서 제1 중간 반응챔버로 시료를 이송시키는 제1 단계와, 상기 제1 중간 반응챔버에 삽입된 시약 보관용기의 마개밸브를 가열하여 시약 보관용기에 수용된 산화제를 배출시키는 제2 단계, 및 상기 제1 중간 반응챔버에서 제1 분석챔버로 시료를 이송시키는 제3 단계를 포함할 수 있다.

상기 제2 단계는 상기 마개밸브에 레이저를 조사하여 시약을 방출시키며, 분광기를 이용하여 제1 중간 반응챔버에서 시료의 색깔 변화를 측정하여 레이저의 조사를 제어할 수 있다.

상기 제2 단계는 서브챔버에 저장된 페놀 시약을 제1 중간 반응챔버로 이송시키는 단계를 더 포함할 수 있으며, 상기 제3 단계는 상기 제1 중간 반응챔버에서 제1 최종 반응챔버로 시료를 이송시켜서 상기 제1 최종 반응챔버에 수용된 카드뮴 파티클들을 이용하여 질산염을 아질산염으로 환원시키는 단계와, 상기 제1 최종 반응챔버에서 상기 제1 분석챔버로 시료를 이송시켜서 설파닐산(Sulfanilic acid)과 크로모트로프산(chromotropic acid)을 이용하여 시료의 색상을 변화시키는 단계를 포함할 수 있다.

상기 이송단계는, 제2 미터링챔버로 이송된 시료를 제2 분석챔버로 이송시켜서 설파닐산(Sulfanilic acid)과 크로모트로프산(chromotropic acid)을 이용하여 시료의 색상을 변화시키는 단계를 포함할 수 있다.

상기 이송단계는, 제3 미터링챔버로 이송된 시료를 몰리브덴산염(molybdate)을 포함하는 시약이 수용된 제3 중간 반응챔버로 이송시키는 단계와, 상기 제3 중간 반응챔버에서 술팜산(sulfamic acid)을 포함하는 시약이 수용된 제3 최종 반응챔버로 시료를 이송시키는 단계와, 상기 제3 최종 반응챔버에서 시트르산(Citric acid)을 포함하는 시약이 수용된 제3 분석챔버로 시료를 이송시키는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 이송단계는 제4 미터링챔버로 이송된 시료를 몰리브덴산염(molybdate)과 아스코르브산(ascorbic acid)을 포함하는 시약이 수용된 제4 분석챔버로 이송시키는 단계를 포함할 수 있다.

상기 이송단계는, 제5 미터링챔버로 이송된 시료를 이염화아이소사이아누르산나트륨(Sodium Dichloroisocyanurate)을 포함하는 시약이 수용된 제5 반응챔버로 이송시키는 단계와, 제5 반응챔버에서 살리실산나트륨(sodium salicylate)과 니트로프루시드나트륨(sodium nitroprusside)을 포함하는 시약이 수용된 제5 분석챔버로 시료를 이송시키는 단계를 포함할 수 있다.

본 실시예의 수질 분석장치는 물에 포함된 하나 이상의 물질을 동시에 분석할 수 있다. 또한 수질 분석 시간이 단축될 뿐만 아니라, 복수 개의 시료를 동시에 분석할 수도 있다.

또한, 시약 보관용기를 이용하여 반응성이 큰 시약을 이용하여 용이하게 성분을 분석할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 수질 분석장치의 개략도이다.
도 2는 도 1에 도시한 미세 유동장치의 부분 확대도이다.
도 3a 내지 도 3f는 본 발명의 제1 실시예에 따른 미세 유동장치를 제작하는 방법을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 시약 보관용기의 단면도이다.
도 5a 내지 도 5i는 본 발명의 제1 실시예에 따른 수질 분석장치를 이용하여 수질을 분석하는 과정을 나타낸 사진이다.
도 6은 시약 보관용기에서 시약을 배출하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 7a 내지 도 7e는 다섯가지 영양염에 대해 농도별로 측정하여 얻은 표준 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 미세 유동장치의 부분 확대도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 수질 분석장치의 개략도이다.

도 1을 참고하면, 본 제1 실시예의 수질 분석장치(200)는 회전 가능한 디스크 형상으로 이루어진 미세 유동장치(100)와 미세 유동장치(100)를 회전시키는 모터(231), 미세 유동장치(100)에 레이저를 조사하는 레이저 조사부(213), 분석을 위해 미세 유동장치(100)에 빛을 조사하는 광원(232) 및 미세 유동장치(100)를 통과한 빛을 분석하는 분광기(234)를 포함한다.

미세 유동장치(100)는 회전 가능한 디스크 형상의 플랫폼(170)과, 플랫폼(170)의 내부에 형성되며 유체를 수용하는 복수개의 챔버들과 챔버들의 연통을 통제하는 밸브를 포함한다.

또한, 수질 분석장치(200)는 감시를 위한 카메라(211)와 스트로브 라이트(215)를 더 포함할 수 있다. 수질 분석장치(200)는 모터(231)와 레이저 조사부(213) 및 카메라(211)를 제어하는 제어부(212)를 포함한다.

도 2는 도 1에 도시한 미세 유동장치의 부분 확대도이다.

도 2를 참고하면, 플랫폼(170)은 회전 중심(O1)을 가지며, 예를 들어 원판 형상으로 형성될 수 있다. 플랫폼(170)은 성형이 용이한 플라스틱 소재, 예를 들어 폴리스타이렌(polystyrene, PS), 폴리디메틸실록산(poly(demethylsiloxane), PMDS), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate, PMMA), 폴리아크릴레이트(polyacrylates), 폴리카보네이트(polycarbonates), 폴리실릭 올레핀(polycyclic olefins), 폴리이미드(polyimides), 및 폴리우레탄(polyurethanes) 등으로 제조될 수 있다. 또한, 플랫폼(170)은 화학적 및 생물학적 안정성과 광학적 투명성을 가지는 소재로 제조된다.

도 3에 도시된 바와 같이 플랫폼(170)은 복수의 판, 예를 들어 상판(171)과 하판(172)으로 구성된다. 상판(171) 또는 하판(172)의 내면에는 음각 형상의 유체를 수용하는 챔버(172a, 172b)와, 챔버(172a, 172b)를 연결하는 채널(172c)이 형성된다.

상판(171)과 하판(172)은 접착제를 이용한 접착, 초음파 융착, 레이저 융착 등 다양한 방법으로 접합되어 미세 유동장치(100)를 구성한다.

플랫폼(170)은 복수의 영역으로 구분되며, 각 영역마다 독립적으로 작동하는 미세 유동 구조물(110)이 마련된다. 예를 들어, 플랫폼(170)에는 복수개의 미세 유동 구조물(110)이 마련되어 하나의 플랫폼(170)을 이용하여 복수개의 시료를 분석할 수 있다.

도 3a 내지 도 3f는 본 실시예에 따른 미세 유동장치를 제작하는 방법을 나타낸 도면이다.

도 3a 내지 도 3f를 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 미세 유동장치의 제작 방법은 상판(171) 및 하판(172) 제작 단계와 왁스(173) 주입 단계와 시약(175) 주입 단계와 접착층(176) 형성 단계와 상판(171) 및 하판(172) 부착 단계, 및 밸브 형성 단계를 포함한다.

도 3a에 도시된 바와 같이, 상판(171) 및 하판(172) 제작 단계는 플라스틱 기판을 깎거나(milling), 인젝션 몰딩(injection molding), 핫엠보싱(hot embossing)과 같은 방법으로 상판(171)과 하판(172)을 제작한다.

본 실시예에서는 5mm 두께의 폴리카보네이트(polycarbonate) 기판으로 하판(172)을 제작하고, 1mm 두께의 폴리카보네이트 기판으로 상판(171)을 제작하였다. 상판(171)에는 주입구(171a)와 밸브 홈(171b)을 형성하고, 하판(172)에 챔버(172a, 172b)와 채널(172c)을 형성하였다.

도 3b에 도시된 바와 같이, 왁스 주입 단계는 왁스 주입장치(177)를 이용하여 상판(171)에 형성된 밸브 홈(171b)에 액상의 왁스(173)를 주입한 후 고화시킨다.

도 3c에 도시된 바와 같이, 시약 주입 단계는 하판(172)에 형성된 챔버(172b)에 시약(173)을 주입한다. 시약(173)은 하판(172)에 형성된 챔버들 중 반응챔버와 분석챔버에 주입하며 서로 다른 물질을 검출하기 위하여 각 반응챔버에 서로 다른 종류의 시약(173)을 주입한다.

도 3d에 도시된 바와 같이, 접착층(176) 형성 단계는 하판(172)의 테두리 상면에 양면접착 테이프를 부착한다. 본 실시예에서는 접착층(176)이 테이프로 이루어진 것으로 예시하고 있으나 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며 접착층은 접착물질로 이루어질 수도 있다.

도 3e에 도시된 바와 같이, 상판(171) 및 하판(172) 부착 단계는 상판(171)과 하판(172)을 마주하도록 배치한 상태에서 상판(171)과 하판(172)을 접합 고정한다.

도 3f에 도시된 바와 같이, 밸브 형성 단계는 왁스(173)에 레이저(178)를 조사하여 용융시킨다. 용융된 왁스는 액상으로 변하여 채널(172c) 내로 진입하며 이에 따라 왁스가 채널(172c)을 폐쇄한다. 왁스(173)가 채널을 막으면 시약이 증발하거나 오염되는 것을 방지할 수 있다.

도 2를 참고하면, 미세 유동 구조물(110)은 질산염, 아질산염, 규산염, 인산염, 암모늄염으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상의 물질을 복수개로 동시에 분석할 수 있도록 형성된다.

이를 위해서 미세 유동 구조물(110)은, 챔버와 밸브로 이루어진 복수 개의 분석라인과, 시료 주입챔버(160)를 갖는다. 분석 라인은 질산염 분석을 위한 제1 분석라인(110a)과, 아질산염의 분석을 위한 제2 분석라인(110b), 규산염의 분석을 위한 제3 분석라인(110c), 인산염의 분석을 위한 제4 분석라인(110d), 암모늄염의 분석을 위한 제5 분석라인(110e)을 포함한다. 본 실시예에서는 분석 라인이 서로 다른 5개의 분석 라인으로 이루어진 것으로 예시하고 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 분석 라인은 제1 분석라인(110a), 제2 분석라인(110b), 제3 분석라인(110c), 제4 분석라인(110d), 제5 분석라인(110e) 중에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상을 포함하면 충분하다.

각 챔버들은 채널을 통해서 연결되며 채널에는 채널을 개폐하는 밸브가 설치되어 있다. 다만 본 발명이 이제 제한되는 것은 아니며, 챔버들은 채널 없이 직접 연결될 수도 있다.

플랫폼(170)은 지름이 12cm인 원판으로 이루어지며, 플랫폼(170)에는 4개의 미세 유동 구조물(110)이 형성된다. 본 실시예에서 시료의 이동은 플랫폼(170)의 회전에 의한 원심력으로 이루어진다.

밸브는 챔버 사이의 연통을 통제한다. 본 실시예에서 밸브는 열, 빛, 또는 전자기파 에너지에 의하여 액상으로 변하는 물질로 이루어질 수 있다. 특히 밸브는 상온에서 고체인 상전이 물질로 이루어질 수 있다. 밸브는 상전이 물질인 왁스로 이루어질 수 있으며 왁스는 가열되면 용융하여 액체 상태로 변하며, 부피가 팽창한다. 왁스로는, 예컨대 파라핀 왁스(paraffin wax), 마이크로크리스탈린 왁스(microcrystalline wax), 합성 왁스(synthetic wax), 또는 천연 왁스(natural wax) 등이 채용될 수 있다.

상전이 물질은 겔(gel) 또는 열가소성 수지일 수도 있다. 겔로는, 폴리아크릴아미드(polyacrylamide), 폴리아크릴레이트(polyacrylates), 폴리메타크릴레이트(polymethacrylates), 또는 폴리비닐아미드(polyvinylamides) 등이 채용될 수 있다.

특히, 밸브는 파라핀 왁스에 흡광성 미세입자가 포함된 물질로 이루어질 수 있으며, 여기서 흡광성 미세입자는 산화철 나노입자로 이루어질 수 있다.

시료 주입챔버(160)는 플랫폼(170)의 회전 중심(O1)에서 가장 가깝게 위치하는 챔버로서, 시료 주입챔버(160)에는 필터부가 연결 설치된다. 본 실시예에서 필터부는 플랫폼(170)의 반경방향을 기준으로 제일 외측에 위치하는 내측면에 형성된 복수 개의 돌기들(162)로 이루어진다. 돌기들(162)은 시료에 포함된 입자상 불순물을 분리하는 역할을 하는 바, 시료 주입챔버(160)에서 반경 방향으로 제일 외측에 위치하는 측면에 형성된다. 플랫폼(170)이 회전하면 상대적으로 무거운 입자상 불순물들이 원심력에 의하여 외측으로 밀려나서 돌기들(162) 사이에 갇히게 된다. 이 때, 시료의 정제를 위한 회전 속도는 시료에 포함된 입자상 불순물의 크기와 밀도에 따라 달라질 수 있다.

또한, 필터부는 시료 주입챔버(160)의 개구 또는 시료 주입챔버(160)에 연결된 채널 내에 설치될 수 있는 바, 이 때 필터부는 다공성 폴리머, 다공성 세라믹 등으로 이루어질 수 있다.

시료 주입챔버(160)는 미터링챔버들(112, 121, 131, 141, 151) 및 웨이스트챔버(163)와 채널(164)을 통해서 연결된다. 미터링챔버들(112, 121, 131, 141, 151)과 웨이스트챔버(163)는 시료 주입챔버(160) 보다 플랫폼(170)의 회전 중심으로부터 더 멀게 위치된다. 시료 주입챔버(160)와 연통된 채널에는 밸브(VA1)가 설치된다.

본 실시예에 따른 미세 유동 구조물(110)은 5개의 물질을 분석하기 위해서 5개의 미터링챔버(112, 121, 131, 141, 151)를 갖는다. 미터링챔버들(112, 121, 131, 141, 151)은 시료를 필요한 양만큼 분할하는 역할을 한다. 웨이스트챔버(163)는 미터링챔버들(112, 121, 131, 141, 151)을 채우고 남은 시료가 더 이상 미터링챔버(112, 121, 131, 141, 151)로 유입되지 않도록 수용하는 역할을 한다.

제2 분석라인(110b)은 제2 미터링챔버(121), 및 제2 분석챔버(123)를 포함한다. 제2 분석라인(110b)는 시료에 포함된 아질산염(nitrite)을 분석하기 위한 구조물로서 제2 미터링챔버(121)에는 제2 분석챔버(123)가 연결 설치된다. 제2 미터링챔버(121)와 제2 분석챔버(123) 사이에는 밸브(VA5)가 설치된다. 제2 분석챔버(123)에는 설파닐산(Sulfanilic acid)과 크로모트로프산(chromotropic acid)를 포함하는 시약이 수용되어 있다.

아질산염은 설파닐산(sulfanilic acid)과 반응하여 다이아조늄염(diazonium salt)을 형성하고, 다이아조늄염은 크로모트로프산(chromotropic acid)과 반응하여 분홍색을 나타내게 된다. 이 분홍색은 아질산염의 농도와 비례한다. 상기한 시약은 설파닐산(sulfanilic acid)과 크로모트로프산(chromotropic acid)을 포함하여 아질산염이 포함된 물을 분홍색으로 변화시킨다.

제3 분석라인(110c)은 제3 미터링챔버(131), 제3 중간 반응챔버(132), 제3 최종 반응챔버(133), 및 제3 분석챔버(134)를 포함한다. 제3 분석라인(110c)은 시료에 포함된 규산염(Silicate)을 분석하기 위한 구조물로서 제3 미터링챔버(131)에는 제3 중간 반응챔버(132)가 연결 설치되고, 제3 중간 반응챔버(132)에는 제3 최종 반응챔버(133)가 연결 설치된다. 또한, 제3 최종 반응챔버(133)에는 제3 분석챔버(134)가 연결 설치된다. 제3 미터링챔버(131)와 제3 중간 반응챔버(132) 사이, 제3 중간 반응챔버(132)와 제3 최종 반응챔버(133) 사이, 및 제3 최종 반응챔버(133)와 제3 분석챔버(132) 사이에는 각각 밸브(VA6, VA7, VA8)가 설치된다.

제3 중간 반응챔버(132)에는 몰리브덴산염(molybdate)을 포함하는 시약이 수용되어 있으며, 제3 최종 반응챔버(133)에는 술팜산 (sulfamic acid)을 포함하는 시약이 수용되어 있다. 몰리브덴산염(molybdate)과 술팜산 (sulfamic acid)은 규산염을 규산염-몰리브덴산염 복합체로 변화시키고, 시료에 포함된 인산염을 인산염-몰리브덴산염 복합체로 변화시킨다. 시료에는 규산염과 인산염이 함께 존재할 수 있으므로 정확한 규산염의 농도를 파악하기 위해서는 인산염-몰리브덴산염 복합체를 제거하여야 한다.

제3 분석챔버(134)에는 시트르산(Citric acid)이 포함된 시약이 수용되어 있다. 시트르산은 인산염-몰리브덴산염 복합체를 파괴하고, 규산염-몰리브덴산염 복합체만 남겨두어 노란색을 나타나게 한다. 이에 따라 노란색상을 이용하여 규산염의 농도를 측정할 수 있다.

제4 분석라인(110d)은 제4 미터링챔버(141), 및 제4 분석챔버(142)를 포함한다. 제4 분석라인(110d)은 시료에 포함된 인산염(phosphate)을 분석하기 위한 구조물로서 제4 미터링챔버(141)에는 제4 분석챔버(142)가 연결 설치된다. 제4 미터링챔버(141)와 제4 분석챔버(142) 사이에는 밸브(VA9)가 설치된다.

제4 분석챔버(142)에는 몰리브덴산염(molybdate)과 아스코르브산(ascorbic acid)을 포함하는 시약이 수용되어 있다. 몰리브덴산염(molybdate)에 의하여 인산염은 인산염-몰리브덴산염 복합체를 형성하고, 상기한 바와 같이 규산염은 규산염-몰리브덴산염 복합체를 형성한다. 다만, 여기서 아스코르브산에 인산염-몰리브덴산염 복합체만 반응하여 파란색을 나타내므로 규산염-몰리브덴산염 복합체를 제거할 필요는 없다.

제5 분석라인(110e)은 제5 미터링챔버(151), 및 제5 반응챔버(152)를 포함한다. 제5 분석라인(110e)은 시료에 포함된 암모늄염(Ammonium)을 분석하기 위한 구조물로서 제5 미터링챔버(151)에는 제5 반응챔버(152)가 연결 설치되고, 제5 반응챔버(152)에는 제5 분석챔버(153)가 연결 설치된다. 제5 미터링챔버(151)와 제5 반응챔버(152) 사이, 제5 반응챔버(152)와 제5 분석챔버(153) 사이에는 각각 밸브(VA10, VA11)가 설치된다.

제5 반응챔버(152)에는 이염화아이소사이아누르산나트륨(Sodium Dichloroisocyanurate)을 포함하는 시약이 수용되어 있으며, 암모늄염은 염소와 반응하여 모노클로라민(monochloramine)을 형성한다. 모노클로라민은 시료에 포함된 규산염과 반응하여 5-아미노살리실레이트(5-aminosalicylate)를 형성한다.

제5 분석챔버(153)에는 살리실산나트륨(sodium salicylate)과 니트로프루시드나트륨(sodium nitroprusside)을 포함하는 시약이 수용되어 있다. 상기한 시약에 포함된 니트로프루시드나트륨(sodium nitroprusside) 촉매는 5-아미노살리실레이트를 산화시켜서 시료를 파란색으로 변화시키며 노란색인 시약과 혼합되어 초록색으로 보이게 된다.

제1 분석라인(110a)은 제1 미터링챔버(112), 제1 중간 반응챔버(114), 제1 최종 반응챔버(115), 및 제1 분석챔버(116)를 포함한다. 제1 분석라인(110a)은 시료에 포함된 질산염(nitrate)을 분석하기 위한 챔버로서 제1 미터링챔버(112)에는 제1 중간 반응챔버(114)가 연결 설치되고, 제1 중간 반응챔버(114)에는 제1 최종 반응챔버(115)가 연결 설치된다. 또한, 제1 최종 반응챔버(115)에는 제1 분석챔버(116)가 연결 설치된다. 제1 미터링챔버(112)와 제1 중간 반응챔버(114) 사이, 제1 중간 반응챔버(114)와 제1 최종 반응챔버(115) 사이, 및 제1 최종 반응챔버(115)와 제1 분석챔버(116) 사이에는 각각 밸브(VA2, VA3, VA4)가 설치된다.

또한, 제1 중간 반응챔버(114)에는 서브챔버(113)가 연결 설치되는 바, 서브챔버(113)에는 페놀용액이 수용되어 있다. 서브챔버(113)는 제1 중간 반응챔버(114) 보다 플랫폼(170)의 회전 중심으로부터 더 가깝게 위치하며 서브챔버(113)와 제1 중간 반응챔버(114) 사이에는 밸브(VA12)가 설치된다. 이에 따라 밸브(VA12)가 개방되면 원심력을 이용하여 서브챔버(113)에 수용된 페놀 용액을 제1 중간 반응챔버(114)로 이송할 수 있다.

제1 중간 반응챔버(114) 내부에는 아질산염(nitrate)을 질산염(nitrite)으로 산화시키기 위한 산화제가 수용된 시약 보관용기(180)가 설치되어 있으며, 산화제는 브롬수(bromine water)로 이루어질 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 시약 보관용기(180)는 시약이 보관되는 공간(181a)을 갖는 바디부(181)와 바디부(181)에 형성된 개구의 개방을 통제하는 마개밸브(182, 183)를 갖는다. 바디부(181)는 길이 방향 양쪽 단부에 개구가 형성된 원형의 관 형상으로 이루어질 수 있으며 마개밸브(182, 183)는 바디부(181)의 길이방향 양단에 고정 설치된다. 여기서 마개밸브(182, 183)는 열, 빛, 또는 전자기파 에너지에 의하여 용융되어 바디부(181)의 개방를 통제하며, 이를 위해서 마개밸브(182, 183)는 열, 빛, 또는 전자기파 에너지에 의하여 액상으로 용융될 수 있는 물질로 이루어진다.

특히 마개밸브(182, 183)는 상온에서 고체인 상전이 물질로 이루어질 수 있다. 마개밸브(182, 183)는 상전이 물질인 왁스로 이루어질 수 있으며 왁스는 가열되면 용융하여 액체 상태로 변하며, 부피가 팽창한다. 왁스로는, 예컨대 파라핀 왁스(paraffin wax), 마이크로크리스탈린 왁스(microcrystalline wax), 합성 왁스(synthetic wax), 또는 천연 왁스(natural wax) 등이 채용될 수 있다.

특히, 마개밸브(182, 183)는 파라핀 왁스에 흡광성 미세입자가 포함된 물질로 이루어질 수 있으며, 여기서 흡광성 미세입자는 산화철 나노입자로 이루어질 수 있다.

바디부(181)는 반응성이 매우 낮은 물질로 이루어지는 바, 본 실시예에 다른 시약 보관용기(180)는 브롬수 등과 같이 반응성이 매우 큰 시약(185)인 산화제 또는 환원제의 보관에 사용된다. 본 실시예에 따른 바디부(181)는 유리 또는 테프론으로 이루어질 수 있으며, 챔버를 형성하는 물질은 폴리카보네이트로 이루어질 수 있다.

바디부(181)와 시약(185)의 반응성은 챔버를 형성하는 물질과 시약(185)의 반응성보다 더 작게 된다. 이에 따라 반응성이 매우 큰 물질을 안정적으로 보관할 수 있을 뿐만 아니라 반응성이 큰 물질을 이용하여 시료를 분석하는 경우에도 1회용인 플랫폼을 고가의 재료로 형성할 필요가 없어 플랫폼 제작 원가를 절감할 수 있다.

제1 최종 반응챔버(115)에는 질산염을 아질산염으로 환원시키기 위한 카드뮴(cadmium) 파티클들을 포함하는 시약이 수용되어 있으며, 제1 분석챔버(116)에는 아질산염을 설파닐산(Sulfanilic acid)과 크로모트로프산(chromotropic acid)을 포함하는 시약이 수용되어 있다.

이에 따라 제1 분석챔버(116)에서는 질산염과 아질산염을 합한 값의 농도를 측정할 수 있으며, 질산염의 농도는 제2 분석챔버(123)에서 측정된 아질산염의 농도를 뺀 값으로 알 수 있다.

도 5a 내지 도 5i는 본 발명의 일 실시예에 따른 수질 분석장치를 이용하여 수질을 분석하는 과정을 나타낸 사진이다.

도 2 및 도 5a 내지 도 5i를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 수질 분석방법을 설명한다.

본 실시예에 따른 수질 분석방법은 질산염, 아질산염, 규산염, 인산염, 암모늄염으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상의 물질을 복수개로 동시에 분석할 수 있도록, 시료 주입챔버(160)의 연통을 통제하는 밸브(VA1)를 개방하는 밸브개방 단계와, 플랫폼(170)의 회전으로 시료 주입챔버(160)에 수용된 시료를 분석챔버들로 이송시키는 이송 단계, 및 분광기(234)를 이용하여 분석챔버에서 시료의 성분을 분석하는 분석 단계를 포함한다.

또한, 본 실시예에 따른 수질 분석방법은 수질 분석방법은 시료에 포함된 불순물을 분리하는 필터링 단계를 더 포함하며, 상기 필터링 단계는 상기 밸브개방 단계 이전 또는 이후에 실시될 수 있다. 상기 필터링 단계에서는 시료 주입챔버(160)에 형성된 복수 개의 돌기들(162) 사이에 입자상 불순물을 삽입시켜서 분리한다.

상기한 이송 단계는 시료 주입챔버(160)에 수용된 시료를 복수 개의 미터링챔버들(112, 121, 131, 141, 151)로 이송시키는 단계를 포함한다.

도 5b와 도 5c에 도시된 바와 같이, 시료를 미터링챔버들(112, 121, 131, 141, 151)로 이송시키는 단계에서는 시료 주입챔버(160)와 연결된 채널에 설치된 밸브(VA1)가 개방된 상태에서, 플랫폼(170)을 회전시켜서 원심력에 의하여 시료를 복수의 미터링챔버(112, 121, 131, 141, 151)로 이송시킨다. 미터링챔버들(112, 121, 131, 141, 151)을 채우고 남은 시료는 시료 주입챔버(160)와 연통된 웨이스트챔버(163)로 이동시킨다. 본 실시예에서는 5개의 미터링챔버들(112, 121, 131, 141, 151)에 각각 시료를 주입한다.

본 실시예에서는 5개의 미터링챔버들(112, 121, 131, 141, 151)에 시료를 주입하는 것으로 예시하고 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 하나 이상의 미터링챔버들에 시료를 주입할 수 있다.

또한, 이송 단계는 제1 미터링챔버(112)에서 제1 중간 반응챔버(114)로 시료를 이송시키는 제1 단계와, 제1 중간 반응챔버(114)에 삽입된 시약 보관용기(180)의 마개밸브를 가열하여 시약 보관용기(180)에 수용된 산화제를 배출시키는 제2 단계와, 제1 중간 반응챔버(114)에서 제1 분석챔버(116)로 시료를 이송시키는 제3 단계를 포함한다.

도 5d에 도시된 바와 같이, 제1 단계는 밸브(VA2)를 개방하여 제1 미터링챔버(112)에서 제1 중간 반응챔버(114)로 시료를 이송시킨다.

도 5e 및 도 6에 도시된 바와 같이, 제2 단계는 제1 중간 반응챔버(114)에 삽입된 시약 보관용기(180)의 마개밸브(182)를 가열하여 시약 보관용기(180)에 수용된 산화제를 배출시킨다. 산화제로는 브롬수가 적용되며, 제1 중간 반응챔버(114)의 시료가 노란색으로 변할 때까지 마개밸브(182)에 레이저를 조사한다. 브롬수는 시료에 포함된 아질산염을 질산염으로 산화시키는 역할을 하는 바, 아질산염이 질산염으로 모두 산화되면 시료의 색깔이 노란색으로 변한다. 분광기(234)를 이용하여 제1 중간 반응챔버(114)에서 시료의 색깔이 노란색으로 변한 것을 확인하면 제어부(212)에서 레이저의 조사를 중지시키므로 자동으로 레이저 조사를 제어할 수 있다. 레이저 조사가 중단되면 마개밸브(182)가 다시 고화되어 브롬수의 배출이 중단된다.

시료에 포함된 질산염은 아질산염으로 환원시켜서 분석하여야 한다. 그러나 시료에는 질산염과 아질산염이 모두 포함될 수 있으므로 질산염의 양을 검출하기 위해서는 질산염을 아질산염으로 환원시켜서 질산염과 아질산염의 합계를 구한 후, 아질산염의 양을 빼주어야 한다.

또한, 폐수와 같이 과량의 아질산염이 존재하는 경우에는 아질산염을 질산염으로 산화시킨 후, 다시 질산염을 아질산염으로 환원시켜야 한다. 이에 본 실시예에서는 브롬수를 이용하여 시료에 포함된 아질산염을 질산염으로 산화시켰다.

제2 단계에서는 레이저 조사가 중단되면 플랫폼(170)을 회전시켜서 제1 중간 반응챔버(114)에 수용된 시료를 혼합한다.

도 5f에 도시된 바와 같이, 제2 단계는 밸브(VA12)를 개방하여 서브챔버(113)에 보관된 페놀 시약을 제1 중간 반응챔버(114)로 이송시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 본 실시예에서는 시료의 색상을 통해서 물질의 양을 분석하므로 노란색으로 변한 시료를 무색으로 변화시킬 필요가 있다. 이에 페놀 시약을 이용하여 제1 중간 반응챔버(114)에 수용된 시료를 무색으로 변화시킨다. 여기서 서브챔버(113)에 보관된 시약의 이동은 플랫폼(170)의 회전에 의한 원심력으로 이루어진다.

또한, 도 5g 내지 도 5i에 도시된 바와 같이, 제3 단계는 제1 중간 반응챔버(114)에서 제1 최종 반응챔버(115)로 시료를 이송시키는 3-1단계와 제1 최종 반응챔버(115)에서 제1 분석챔버(116)로 시료를 이송시키는 3-2단계를 포함한다.

3-1단계에서는 제1 최종 반응챔버(115)에 수용된 카드뮴(cadmium) 파티클들을 이용하여 질산염을 아질산염으로 환원시킨다. 3-2단계에서는 설파닐산(Sulfanilic acid)과 크로모트로프산(chromotropic acid)를 포함하는 시약을 이용하여 시료에 포함된 아질산염을 분홍색으로 변화시킨다.

또한, 이송 단계는 제2 미터링챔버(121)로 이송된 시료를 제2 분석챔버(123)로 이송시키는 단계를 포함하며, 제2 분석챔버(123)로 시료를 이송시키는 단계에서는 제2 분석챔버(123)에 수용된 설파닐산(Sulfanilic acid)과 크로모트로프산(chromotropic acid)을 이용하여 시료의 색상을 분홍색으로 변화시킨다. 도 5i에 도시된 바와 같이 제2 분석챔버(123)로 시료를 이송시키는 단계는 3-2단계와 동시에 이루어질 수 있다.

또한, 이송 단계는 제3 미터링챔버(131)에 이송된 시료를 제3 중간 반응챔버(132)로 이송시키는 단계와 제3 중간 반응챔버(132)에서 제3 최종 반응챔버(133)로 시료를 이송시키는 단계, 및 제3 최종 반응챔버(133)에서 제3 분석챔버(134)로 시료를 이송시키는 단계를 포함한다.

제3 중간 반응챔버(132)로 시료를 이송시키는 단계에서는 제3 중간 반응챔버(132)에 수용된 몰리브덴산염(molybdate)을 포함하는 시약과 시료를 혼합한다. 도 5f에 도시된 바와 같이 제3 중간 반응챔버(132)로 시료를 이송시키는 단계는 상기한 제2 단계와 동시에 이루어질 수 있다.

제3 최종 반응챔버(133)로 시료를 이송시키는 단계에서는 제3 최종 반응챔버(133)에 수용된 산성용액인 술팜산과 시료에 포함된 몰리브덴산염을 이용하여 규산염을 규산염-몰리브덴산염 복합체로 형성한다. 도 5g에 도시된 바와 같이 제3 최종 반응챔버(133)로 시료를 이송시키는 단계는 상기한 3-1단계와 동시에 이루어질 수 있다.

제3 분석챔버(134)로 시료를 이송시키는 단계에서는 제3 분석챔버(134)에 수용된 시트르산 용액을 이용하여 인산염 몰리브덴산염 복합체를 파괴하고, 규산염-몰리브덴산염 복합체만 남겨두어 시료를 노란색으로 변화시킨다. 도 5i에 도시된 바와 같이 제3 분석챔버(134)로 시료를 이송시키는 단계는 3-2단계와 동시에 이루어질 수 있다.

또한, 이송 단계는 제4 미터링챔버(141)에 이송된 시료를 제4 분석챔버(142)로 이송시키는 단계를 포함한다. 제4 분석챔버(142)로 시료를 이송시키는 단계에서는 제4 분석챔버(142)에 수용된 몰리브덴산염(molybdate)과 아스코르브산(ascorbic acid)을 이용하여 인산염을 인산염-몰리브덴산염 복합체로 형성하고 시료를 파란색으로 변화시킨다. 도 5i에 도시된 바와 같이 제4 분석챔버(142)로 시료를 이송시키는 단계는 3-2단계와 동시에 이루어질 수 있다.

또한, 이송 단계는 제5 미터링챔버(151)에 이송된 시료를 제5 반응챔버(152)로 이송시키는 단계와, 제5 반응챔버(152)에서 제5 분석챔버(153)로 시료를 이송시키는 단계를 포함한다.

제5 반응챔버(152)로 시료를 이송시키는 단계에서는 제5 반응챔버(152)에 수용된 클로린 성분을 이용하여 암모늄염을 모노클로라민(monochloramine)으로 형성하고, 모노클로라민은 시료에 포함된 규산염과 반응하여 5-아미노살리실레이트(5-aminosalicylate)가 된다. 도 5g에 도시된 바와 같이 제5 반응챔버(152)로 시료를 이송시키는 단계는 상기한 3-1단계와 동시에 이루어질 수 있다.

제5 분석챔버(153)로 시료를 이송시키는 단계에서는 제5 분석챔버(153)에 수용된 시약에 포함된 니트로프루시드나트륨(sodium nitroprusside)을 이용하여 5-아미노살리실레이트를 산화시켜서 시료를 파란색으로 변화시키며, 시료는 노란색인 시약과 혼합되어 초록색으로 보이게 된다. 도 5i에 도시된 바와 같이 제5 분석챔버(153)로 시료를 이송시키는 단계는 3-2단계와 동시에 이루어질 수 있다.

분석 단계는 광원(232)과 분광기(234)를 이용하여 시료의 색상에 따른 성분을 검출한다. 여기서, 분석 대상 물질의 농도가 높으면 흡광도도 이에 비례하여 증가하는 바, 분광기에서 측정된 흡광도를 바탕으로 분석 물질의 농도를 검출한다.

색상을 갖는 시료에서 아질산염과 질산염+아질산염은 507nm 파장에서 검출되었고, 암모늄염은 655nm 파장에서 검출되었으며, 인산염은 880nm 파장에서 검출되었다. 또한, 규산염은 452nm에서 검출되었다.

도 7a 내지 도 7e는 다섯가지 영양염에 대해 농도별로 측정하여 얻은 표준 곡선을 나타낸 그래프이다. 도 7a 내지 도 7e에서 그래프 내 작은 그래프는 동적 범위(dynamic range)를 나타낸다. 표준 곡선을 평가한 결과 동적 범위는 종래의 수질분석방법과 유사한 정도로 나타났으며 미국 환경보호청의 규정인 아질산염 0.304 mg-N/L, 질산염 2.257 mg-N/L, 암모늄염 0.26 mg-N/L, 및 인산염 0.025 mg-P/L을 만족하였다. 한편, 검출 한계(limit of detection, LOD)는 아질산염 0.008 mg-N/L, 질산염+아질산염 0.05 mg-N/L, 암모늄염 0.01 mg-N/L, 인산염 0.008 mg-P/L, 및 규산염 0.19 mg-Si/L으로 측정되어 미세한 영양염의 성분까지 검출할 수 있었다.

이와 같이 본 실시예에 따른 수질 분석장치에 의하면 소량의 시료를 이용하여 복수 개의 물질을 동시에 분석할 수 있을 뿐만 아니라 수질 분석 시간을 현저히 단축시킬 수 있다.

종래의 FIA 시스템에 의해서 수질을 분석하는 소요 시간은 75분이었으나, 본 실시예에 따른 수질분석장치를 이용하면 약 7.5분 내에 수질을 분석할 수 있다.

도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 수질 분석장치의 미세 유동장치의 부분 확대도이다.

본 실시예에 따른 수질 분석장치는 미세 유동장치를 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 수질 분석장치와 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구조에 대한 중복 설명은 생략한다.

도 8을 참고하면, 미세 유동장치(300)는 회전 가능한 디스크 형상의 플랫폼(370)과, 플랫폼(370)의 내부에 형성되며 유체를 수용하는 복수개의 챔버들과 챔버들을 연결하는 채널(316) 및 채널(316)에 설치된 밸브(VB1, VB2, VB3)를 포함한다.

플랫폼(370)은 지름이 12cm인 원판으로 이루어지며, 플랫폼(370)에는 복수 개의 미세 유동 구조물(310)이 형성된다. 각각의 미세 유동 구조물(310)에는 서로 다른 종류의 시료가 주입되어 복수 개의 시료에 포함된 하나의 분석대상 물질을 동시에 분석할 수 있다. 본 실시예에서 시료의 이동은 플랫폼(370)의 회전에 의한 원심력으로 이루어진다.

밸브는 챔버들 사이의 연통을 통제한다. 본 실시예에서 밸브는 열, 빛, 또는 전자기파 에너지에 의하여 액상으로 변하는 물질로 이루어질 수 있다.

본 실시예에 따른 미세 유동 구조물(310)은 시료에 포함된 규산염(Silicate)을 분석하기 위한 것으로서, 시료 주입챔버(312)와, 중간 반응챔버(313), 최종 반응챔버(314), 및 분석챔버(315)를 갖는다.

시료 주입챔버(312)에는 중간 반응챔버(313)가 연결 설치되고, 중간 반응챔버(313)에는 최종 반응챔버(314)가 연결 설치된다. 또한, 최종 반응챔버(314)에는 분석챔버(315)가 연결 설치된다. 시료 주입챔버(312)와 중간 반응챔버(313) 사이, 중간 반응챔버(313)와 최종 반응챔버(314) 사이, 최종 반응챔버(314)와 분석챔버(315) 사이에는 각각 밸브(VB1, VB2, VB3)가 설치된다.

시료 주입챔버(312)에는 필터(317)가 연결 설치되는 바, 필터는 시료 주입챔버(312)와 연결된 채널(316) 내에 설치된다. 필터(317)는 다공성 폴리머, 다공성 세라믹, 등으로 이루어질 수 있다.

중간 반응챔버(313)에는 몰리브덴산염(molybdate)을 포함하는 시약이 수용되어 있으며, 최종 반응챔버(314)에는 술팜산 (sulfamic acid)을 포함하는 시약이 수용되어 있다. 몰리브덴산염(molybdate)과 술팜산 (sulfamic acid)은 규산염을 규산염-몰리브덴산염 복합체로 변화시키고, 시료에 포함된 인산염을 인산염-몰리브덴산염 복합체로 변화시킨다. 시료에는 규산염과 인산염이 함께 존재할 수 있으므로 정확한 규산염의 농도를 파악하기 위해서는 인산염-몰리브덴산염 복합체를 제거하여야 한다.

분석챔버(315)에는 시트르산(Citric acid)이 포함된 시약이 수용되어 있다. 시트르산은 인산염-몰리브덴산염 복합체를 파괴하고, 규산염-몰리브덴산염 복합체만 남겨두어 노란색을 나타나게 한다. 이에 따라 노란색상을 이용하여 규산염의 농도를 측정할 수 있다.

상기한 바와 같이 본 실시예에 따르면 각각의 미세 유동 구조물(310)에 서로 다른 종류의 시료가 주입되어 복수 개의 시료에 포함된 규산염의 농도를 동시에 분석할 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

200: 수질 분석장치 100, 300: 미세 유동장치
110, 310: 미세 유동 구조물 211: 카메라
212: 제어부 213: 레이저 조사부
215: 스트로브 라이트 231: 모터
232: 광원 234: 분광기
112: 제1 미터링챔버 113: 서브챔버
114: 제1 중간 반응챔버 115: 제1 최종 반응챔버
116: 제1 분석챔버 121: 제2 미터링챔버
123: 제2 분석챔버 131: 제3 미터링챔버
132: 제3 분석챔버 132: 제3 중간 반응챔버
133: 제3 최종 반응챔버 134: 제3 분석챔버
141: 제4 미터링챔버 142: 제4 분석챔버
151: 제5 미터링챔버 152: 제5 반응챔버
160: 시료 주입챔버 162: 돌기
163: 웨이스트챔버 170, 370: 플랫폼
171: 상판 172: 하판
173: 왁스 175, 185: 시약
176: 접착층 177: 왁스 주입장치
180: 시약 보관용기 181: 바디부
181a: 공간 182, 183: 마개밸브

Claims

플랫폼과, 상기 플랫폼의 내부에 형성된 복수의 챔버들, 및 상기 챔버들 사이에 위치하는 밸브를 포함하고,
질산염, 아질산염, 규산염, 인산염, 암모늄염으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질을 복수개로 동시에 분석하는 것을 특징으로 하는 수질 분석장치.
제1항에 있어서,
상기 플랫폼에는 상기 챔버와 상기 밸브로 이루어진 복수 개의 분석 라인과, 상기 분석 라인에 연결된 시료 주입챔버가 형성되고,
상기 분석 라인은 질산염의 분석을 위한 제1 분석라인, 아질산염의 분석을 위한 제2 분석라인, 규산염의 분석을 위한 제3 분석라인, 인산염의 분석을 위한 제4 분석라인, 암모늄염의 분석을 위한 제5 분석라인으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 수질 분석장치.
제2항에 있어서,
상기 시료 주입챔버에는 시료에 포함된 불순물을 분리하는 필터부가 연결 설치된 수질 분석장치.
제3항에 있어서,
상기 필터부는 상기 시료 주입챔버에서 반경 방향으로 제일 외측에 위치한 측면에 형성된 복수 개의 돌기들로 이루어진 수질 분석장치.
제3항에 있어서,
상기 필터부는 상기 시료 주입챔버에 연결 설치된 다공성 폴리머 또는 다공성 세라믹으로 이루어진 수질 분석장치.
제2항에 있어서,
상기 챔버 내에는 시약이 보관되는 공간을 갖는 바디부와 상기 바디부에 형성된 개구에 설치된 마개밸브를 갖는 시약 보관용기가 설치된 수질 분석장치.
제6항에 있어서,
상기 제1 분석라인은 상기 시료 주입챔버에 연결 설치된 제1 미터링챔버와, 상기 제1 미터링챔버에 연결 설치된 제1 중간 반응챔버를 포함하고,
상기 제1 중간 반응챔버 내에 산화제가 수용된 상기 시약 보관용기가 설치되며, 상기 제1 중간 반응챔버에는 상기 제1 중간 반응챔버 보다 상기 플랫폼의 회전 중심에서 더 가깝게 위치하며 페놀용액이 수용된 서브챔버가 연결 설치된 수질 분석장치.
제7항에 있어서,
상기 제1 분석라인은 상기 제1 중간 반응챔버에 연결 설치된 제1 최종 반응챔버를 더 포함하고, 상기 제1 최종 반응챔버에는 카드뮴(cadmium) 파티클들을 포함하는 시약이 수용된 수질 분석장치.
제8항에 있어서,
상기 제1 분석라인은 제1 최종 반응챔버에 연결 설치된 제1 분석챔버를 더 포함하고, 상기 제1 분석챔버에는 설파닐산(Sulfanilic acid)과 크로모트로프산(chromotropic acid)를 포함하는 시약이 수용된 수질 분석장치.
제6항에 있어서,
상기 마개밸브는 열, 빛, 또는 전자기파 에너지에 의하여 상전이 되어 상기 바디부의 개방을 통제하는 수질 분석장치.
제10항에 있어서,
상기 마개밸브는 왁스에 흡광성 미세입자가 포함된 물질로 이루어진 수질 분석장치.
제6항에 있어서,
상기 바디부와 상기 바디부에 수용된 시약의 반응성은 상기 챔버를 형성하는 물질과 상기 바디부에 수용된 시약의 반응성보다 더 작은 수질 분석장치.
제2항에 있어서,
상기 제2 분석라인은 상기 시료 주입챔버에 연결 설치된 제2 미터링챔버와, 상기 제2 미터링챔버에 연결 설치된 제2 분석챔버를 포함하고, 상기 제2 분석챔버에는 설파닐산(Sulfanilic acid)과 크로모트로프산(chromotropic acid)를 포함하는 시약이 수용된 수질 분석장치.
제2항에 있어서,
상기 제3 분석라인은 상기 시료 주입챔버에 연결 설치된 제3 미터링챔버와, 상기 제3 미터링챔버에 연결 설치된 제3 중간 반응챔버를 포함하고, 상기 제3 중간 반응챔버에는 몰리브덴산염(molybdate)을 포함하는 시약이 수용된 수질 분석장치.
제14항에 있어서,
상기 제3 분석라인은 상기 제3 중간 반응챔버에 연결 설치된 제3 최종 반응챔버를 더 포함하고, 상기 제3 최종 반응챔버에는 술팜산 (sulfamic acid)을 포함하는 시약이 수용된 수질 분석장치.
제15항에 있어서,
상기 제3 분석라인은 상기 제3 최종 반응챔버에 연결 설치된 제3 분석챔버를 더 포함하고, 상기 제3 분석챔버에는 시트르산(Citric acid)을 포함하는 시약이 수용된 수질 분석장치.
제2항에 있어서,
상기 제4 분석라인은 상기 시료 주입챔버에 연결 설치된 제4 미터링챔버와, 상기 제4 미터링챔버에 연결 설치된 제4 분석챔버를 포함하고, 상기 제4 분석챔버에는 몰리브덴산염(molybdate)과 아스코르브산(ascorbic acid)을 포함하는 시약이 수용된 수질 분석장치.
제2항에 있어서,
상기 제5 분석라인은 상기 시료 주입챔버에 연결 설치된 제5 미터링챔버와, 상기 제5 미터링챔버에 연결 설치된 제5 반응챔버를 포함하고, 상기 제5 반응챔버에는 이염화아이소사이아누르산나트륨(Sodium Dichloroisocyanurate)이 포함된 시약이 수용된 수질 분석장치.
제18항에 있어서,
상기 제5 분석라인은 상기 제5 반응챔버에 연결 설치된 제5 분석챔버를 더 포함하고, 상기 제5 분석챔버는 살리실산나트륨(sodium salicylate)과 니트로프루시드나트륨(sodium nitroprusside)을 포함하는 시약이 수용된 수질 분석장치.
제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 플랫폼은 회전 가능한 디스크 형상으로 이루어진 수질 분석장치.
제20항에 있어서,
상기 플랫폼에는 상기 플랫폼을 회전시키는 모터가 연결 설치된 수질 분석장치.
제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 밸브는 열, 빛, 또는 전자기파 에너지에 의하여 상전이 되어 상기 챔버들의 연통을 통제하는 수질 분석장치.
플랫폼과, 상기 플랫폼의 내부에 형성된 복수의 챔버들, 및 상기 챔버들 사이에 위치하는 밸브를 포함하는 수질 분석장치를 이용한 수질 분석방법으로서,
시료 주입챔버의 연통을 통제하는 밸브를 개방하는 밸브개방 단계;
상기 플랫폼의 회전으로 상기 시료 주입챔버에 수용된 시료를 분석챔버로 이송시키는 이송 단계; 및
분광기를 이용하여 상기 분석챔버에서 시료의 성분을 분석하는 분석 단계;
를 포함하며,
질산염, 아질산염, 규산염, 인산염, 암모늄염으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 물질을 복수개로 동시에 분석하는 것을 특징으로 하는 수질 분석방법.
제23항에 있어서,
수질 분석방법은 시료에 포함된 불순물을 분리하는 필터링 단계를 더 포함하고, 상기 필터링 단계는 상기 밸브개방 단계 이전 또는 이후에 실시되는 수질 분석방법.
제24항에 있어서,
상기 필터링 단계에서는 상기 시료 주입챔버에 형성된 복수 개의 돌기들 사이에 입자상 불순물을 삽입시켜서 분리하는 수질 분석방법.
제23항에 있어서,
상기 이송단계는 상기 시료 주입챔버에서 복수 개의 미터링챔버로 시료를 이송시키는 단계를 포함하는 수질 분석방법.
제26항에 있어서,
상기 이송단계는,
제1 미터링챔버에서 제1 중간 반응챔버로 시료를 이송시키는 제1 단계,
상기 제1 중간 반응챔버에 삽입된 시약 보관용기의 마개밸브를 가열하여 시약 보관용기에 수용된 산화제를 배출시키는 제2 단계, 및
상기 제1 중간 반응챔버에서 제1 분석챔버로 시료를 이송시키는 제3 단계,
를 포함하는 수질 분석방법.
제27항에 있어서,
상기 제2 단계는 상기 마개밸브에 레이저를 조사하여 시약을 방출시키며, 분광기를 이용하여 제1 중간 반응챔버에서 시료의 색깔 변화를 측정하여 레이저의 조사를 제어하는 수질 분석방법.
제28항에 있어서,
상기 제2 단계는 서브챔버에 저장된 페놀 시약을 제1 중간 반응챔버로 이송시키는 단계를 더 포함하는 수질 분석방법.
제29항에 있어서,
상기 제3 단계는 상기 제1 중간 반응챔버에서 제1 최종 반응챔버로 시료를 이송시켜서 상기 제1 최종 반응챔버에 수용된 카드뮴 파티클들을 이용하여 질산염을 아질산염으로 환원시키는 단계와,
상기 제1 최종 반응챔버에서 상기 제1 분석챔버로 시료를 이송시켜서 설파닐산(Sulfanilic acid)과 크로모트로프산(chromotropic acid)을 이용하여 시료의 색상을 변화시키는 단계를 포함하는 수질 분석방법.
제26항에 있어서,
상기 이송단계는, 제2 미터링챔버로 이송된 시료를 제2 분석챔버로 이송시켜서 설파닐산(Sulfanilic acid)과 크로모트로프산(chromotropic acid)을 이용하여 시료의 색상을 변화시키는 단계를 포함하는 수질 분석방법.
제26항에 있어서,
상기 이송단계는,
제3 미터링챔버로 이송된 시료를 몰리브덴산염(molybdate)을 포함하는 시약이 수용된 제3 중간 반응챔버로 이송시키는 단계와,
상기 제3 중간 반응챔버에서 술팜산(sulfamic acid)을 포함하는 시약이 수용된 제3 최종 반응챔버로 시료를 이송시키는 단계와,
상기 제3 최종 반응챔버에서 시트르산(Citric acid)을 포함하는 시약이 수용된 제3 분석챔버로 시료를 이송시키는 단계를 더 포함하는 수질 분석방법.
제26항에 있어서,
상기 이송단계는 제4 미터링챔버로 이송된 시료를 몰리브덴산염(molybdate)과 아스코르브산(ascorbic acid)을 포함하는 시약이 수용된 제4 분석챔버로 이송시키는 단계를 포함하는 수질 분석방법.
제26항에 있어서,
상기 이송단계는, 제5 미터링챔버로 이송된 시료를 이염화아이소사이아누르산나트륨(Sodium Dichloroisocyanurate)을 포함하는 시약이 수용된 제5 반응챔버로 이송시키는 단계와, 제5 반응챔버에서 살리실산나트륨(sodium salicylate)과 니트로프루시드나트륨(sodium nitroprusside)을 포함하는 시약이 수용된 제5 분석챔버로 시료를 이송시키는 단계를 포함하는 수질 분석방법.