KR20140060868A - 휴대용 중금속 검출용 센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 휴대용 중금속 검출용 센서는 회전부재가 연결된 센싱전극, 회전력을 전달하는 회전부재, 전기신호 단속 및 마모 방지 효과를 갖는 슬립링, 및 슬립링과 연결되어 센싱전극에 전압을 제공하는 포텐시오 스텟을 포함하며, 상기 회전부재가 회전함에 따라 상기 센싱전극의 표면에 발생하는 기포를 제거하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 휴대용 중금속 검출용 센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 휴대가 편리하고 현장에서 쉽게 적용할 수 있는 회전 센싱전극 및 슬립링을 구비한 중금속 검출용 센서에 관한 것이다.
급속한 산업발전에 따른 인구의 도시 집중화와 함께 유해독성물질(chemical hazardous)의 대량 방출은 이미 자연, 생태계에 중대한 위협 요소가 되고 있다. 생체에 해로운 영향을 미치는 비소(As), 납(Pb), 카드뮴(Cd), 크롬(Cr), 불소(F), 셀레늄(Se), 수은(Hg) 등 유해 중금속들은 물에 분해되거나 안정한 화합물로 되지 않고 혼합 상태로 남아 수질과 토양을 오염시키며 먹이 연쇄에 따라 물고기 등 각종 음식물을 통하여 몸속으로 이동, 축적되며 생체 내로 흡수되면 생체 내 물질과 결합하여 잘 분해되지 않는 유기복합체를 형성하기 때문에 몸 밖으로 빨리 배출되니 않고 간장, 신장 등의 실질 장기나 뼈에 축적되는 성질이 강한 물질로 낮은 농도에서도 건강장해를 유발할 가능성이 있다. 특히 한번 몸에 축적된 중금속은 쉽게 배출되지가 않기 때문에 종금속 오염은 그 만큼 무섭고 치유되기 어렵다.
그러나 근본적으로 중금속의 오염을 방지하기 위해서는 환경에 유입되는 유해 중금속들의 양을 정확히 측정할 수 있는 기술이 확보되어야 하며 이를 통하여 환경오염의 철저한 규제가 실시되어야 한다.
이에 따라 환경 예측, 감시, 평가 기술 개발에 대한 중요성이 크게 인식되고 있으며, 새로운 환경 측정 수요에 부응하고 복잡, 다양해지는 환경오염 문제에 효과적으로 대응함은 물론 국제적 기준에 부합하는 시험, 검사 능력을 확보하기 위해서는 측정기술의 신뢰도 및 정확도 향상을 위한 연구의 필요성이 제기되고 있다.
종래의 중금속 검출용 센서로서 대중을 이루고 있는 것은 ICP-AES(Industively Coupled Plasma-Automatic Emission Spectroscopy), 즉 유도 결합 플라즈마에 의한 원자방출 분광법 장치이다. 상기 유도 결합 플라즈마 장치는 질소 반응가스를 이용하여 분출구(touch)를 통해 불꽃을 만들고, 이 불꽃을 분광법을 이용하여 분석함으로써 검사대상 시료 내의 중금속을 검출한다.
그러나 상기와 같은 종래의 중금속 검출용 센서는, 현장에 적용하여 직접 분석하는 것이 불가능하며, 많은 질소가스와 대용량의 고주파전원을 필요로 하는 단점이 있다.
이러한 배경 하에서, 본 발명자들은 종래의 중금속 검출용 센서의 한계를 극복하는 휴대용 중금속 검출용 센서를 개발하였으며, 상기 중금속 검출용 센서를 다양한 농도의 시료에 적용하여 효과적인 성능을 확인하여 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 상기의 문제점을 해결하기 위해서, 회전부재에 센싱전극을 연결하여 센싱전극의 성능 저하를 방지하고 슬립링을 구비함으로써 전기신호의 단속 및 마모를 방지할 수 있는 휴대용 중금속 검출 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 현장에서 신속하게 중금속을 검출하여 시간과 비용을 절감할 수 있는 휴대용 중금속 검출 센서를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위해 본 발명은 검출 시료(9)를 담는 용기(1); 상기 검출 시료에 침지되는 센싱전극(3); 상기 센싱전극에 연결된 목부(5); 상기 목부에 회전력을 전달하는 회전부재(6); 상기 목부의 둘레를 감싸도록 위치하는 슬립링(7); 및 상기 슬립링과 연결되어 상기 센싱전극에 전압을 제공하는 포텐시오 스텟(8)을 포함하는 중금속 검출용 센서(10)를 제공한다.
상기 중금속 검출용 센서는 전기화학을 이용한 양극벗김전압전류법(Anodic Stripping Voltammetry, ASV) 원리를 이용하는 것으로, 상기 양극벗김전압전류법은 환원 및 산화과정을 통해 중금속 이온의 양을 측정하는 방법이다. 구체적으로, 음전위를 가하여 검출하고자 하는 화학종을 센싱전극에 부착시키는 전농축 단계(preconcentration step)인 환원과정 및 음전위에서 양전위로 전압을 올려줌으로 인해 센싱전극에 도금된 중금속 이온들이 용탈하는 산화과정을 통해 중금속 농도를 측정하는 방법이다.
또한, 상기 포텐시오 스탯(8)은 상기 센싱전극(3)에 전압을 정교하게 조절하여 원하는 파형의 전압을 제공하기 위한 것으로, 자동적으로 전류 전위를 일정하게 유지하는 장치이다.
상기 중금속 검출용 센서는 상기 검출 시료(9)에 침지되는 기준전극(4) 및 상대전극(2)을 추가로 포함하는 것이 바람직하다.
상기 센싱전극(3)은 상기 용기(1)의 중심에 위치하는 것이 바람직하다.
상기 회전부재(6)는 센싱전극(3)에 측정 중에 발생하는 기포를 충분히 제거할 정도로 수행하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 측정 중에 발생하는 기포는 인가전압에 의한 시료의 전기분해로 발생된 수소기체를 의미하며, 상기 수소기체는 센싱전극의 표면에 흡착되어 전극의 정밀도를 저하시킴으로 충분히 제거하기 위해 상기 회전부재(6)을 이용하여 1000rpm으로 회전시키는 것이 바람직하다.
상기 센싱전극(3)은 중공형의 폴리머; 상기 폴리머(13)의 일측 내부로 삽입되는 목부(5); 상기 폴리머(13)의 타측 내부에 위치하는 유리탄소 로드(11); 및 상기 폴리머 내부에 위치하며, 상기 목부 및 상기 유리탄소 로드 사이에 위치하는 탄소 파우더(12)를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 기준전극(4)은 포화된 KCl 용액에 함침시킨 Ag 와이어; 유리 백금 와이어가 장착된 유리 캐필라리; 및 상기 유리 캐릴라리에 위치시킨 전기도금 된 상기 Ag 와이어로 구성되는 것이 바람직하다.
상기 회전부재(6)가 회전함에 따라 상기 센싱전극(3)의 표면에 발생하는 기포를 제거하는 것이 바람직하다.
상기 슬립링(7)은 상기 목부(5)와 소정간격 이격되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 슬립링(7)은 센싱전극(3)과 포텐시오 스탯(8)의 전기신호를 연결해주는 접촉(contact) 부분에서의 고속회전에 의한 두 고체 물질의 마모와 자연부식에 의한 전기신호 단속 현상을 방지하기 위하여, 목부(5)에 부착하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 목부(5)는 자연부식에 의한 전기신호 단속 현상을 방지하기 위하여 동합금 물질인 것이 바람직하며, 상기 동합금 물질은 동텅스텐 합금, 동주석 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 사용할 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 중금속 검출용 센서는 휴대용으로 제작되는 것이 바람직하다.
따라서, 본 발명의 중금속 검출용 센서는 효과적인 중금속 검출장치에 적용될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 중금속 검출용 센서는 슬립링을 중금속 검출용 센서에 이용하여 센싱전극의 회전에 따른 전기신호의 단속 및 마모 현상을 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 회전부재를 중금속 검출용 센서에 이용하여 센싱전극 표면에 발생하는 기포를 제거하여 중금속 측정 효과를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은, 중금속 검출용 센서의 구성도이다.
도 2는, 중금속 검출용 센서의 (a) 센싱전극 및 (b) 기준전극의 구성도를 나타낸 것이다.
도 3은, 중금속 검출용 센서의 (a) 분해 및 (b) 조립한 이미지를 나타낸 것이다.
도 4는, 중금속 검출용 센서의 (a) 전체 외형 및 (b) 슬립링의 외형을 나타낸 것이다.
도 5는, 본 발명의 일실시예에 따른 중금속 검출용 센서의 성능 평가 그래프를 나타낸 것이다.
도 6은, 본 발명의 일실시예에 따른 중금속 검출용 센서의 (a) 카드뮴 및 (b) 납 검출을 통한 센서 적합능을 그래프로 나타낸 것이다.
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도 5는, 본 발명의 일실시예에 따른 중금속 검출용 센서의 성능 평가 그래프를 나타낸 것이다.
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본 발명의 상기와 같은 목적, 특징 및 다른 장점들은 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 하기의 실시예는 오로지 본 발명을 설명하기 위한 것으로 이들 실시예에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 휴대용 중금속 검출용 센서를 이루는 각 구성요소들은 필요에 따라 일체형으로 제조되거나 각각 분리되어 제조될 수 있다. 또한, 사용 형태에 따라 일부 구성요소를 생략하여 사용이 가능하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 휴대용 중금속 검출 장치를 상세히 설명하기로 한다.
휴대용 중금속 검출용 센서(10)의 전체적인 구성 설명
먼저, 도1 내지 도3을 참조하여 본 발명에 따른 휴대용 중금속 검출용 센서(10)의 전체적인 구성을 설명한다.
휴대용 중금속 검출용 센서(10)는 검출 시료를 담는 용기(1), 검출 시료에 침지되는 센싱전극(3), 센싱전극에 연결된 목부(5), 목부에 회전력을 전달하는 회전부재(6), 목부의 둘레를 감싸도록 위치하는 슬립링(7), 및 슬립링(7)과 연결되어 상기 센싱전극(3)에 전압을 제공하는 포텐시오 스텟(8)을 포함한다.
센싱전극(3)은 중공형의 폴리머(13), 폴리머(13)의 일측 내부로 삽입되는 목부(5), 폴리머(13)의 타측 내부에 위치하는 유리탄소 로드(11), 및 폴리머(13) 내부에 위치하며, 목부(5) 및 유리탄소 로드(11) 사이에 위치하는 탄소 파우더(12)를 포함한다.
기준전극(4)는 포화된 KCl 용액에 함침시킨 Ag 와이어, 유리 백금 와이어가 장착된 유리 캐필라리, 및 유리 캐릴라리에 위치시킨 전기도금 된 상기 Ag 와이어로 구성된다.
회전부재(6)는 측정 중에 시료의 전기분해로 인해 발생하는 수소기체가 센싱전극(3)에 흡착되어 전극의 정밀도를 저하시키는 것을 방지하기 위하여 1000rpm으로 회전시켜 기포를 충분히 제거할 정도로 수행한다.
슬립링(7)은 센싱전극(3)과 포텐시오 스탯(8)의 전기신호를 연결해주는 접촉(contact) 부분에서의 고속회전에 의한 두 고체 물질의 마모와 자연부식에 의한 전기신호 단속 현상을 방지하기 위하여, 목부(5)에 부착한다.
목무(5)는 자연부식에 의한 전기신호 단속 현상을 방지하기 위하여 동합금 물질인 동텅스텐 합금으로 구성된다.
도 1 내지 도3을 다시 참조하면, 본 발명인 휴대용 중금속 검출용 센서(10)는 간이하게 분해조립이 가능한 일체형 구조체로 구성된다는 측면에서 휴대가 가능하여 어느 장소에서나 편리하게 중금속을 측정할 수 있는 장점이 있다.
휴대용 중금속 검출용 센서의 성능 평가
상기 Anodic Striopping Voltammetry 원리를 활용한 상기 휴대용 중금속 검출용 센서(10)을 이용하여 다양한 농도에서 납과 카드뮴의 동시검출을 시행하였다. pH 4.5 아세테이트 버퍼를 제조하여 전해질로 사용하였으며, 측정오차를 최소화하기 위해 동일 조건으로 측정하였다. 납과 카드뮴을 동시에 측정하기 위하여 비스무스를 아세테이트 버퍼용액에 500 ppb 첨가하여 -1.1V 인가전압에서 유리탄소 전극에 electroplating 방법을 이용하여 비스무스 필름을 도포하고 동시에 납과 카드뮴을 전극에 흡착 시켰다. 포텐셜 ~ 0.45 V 와 ~ 0.75 V에서 나타난 픽은 각각 카드뮴과 납에 해당하는 특징적인 값이며 이때 발생된 전류는 해당 전압에서 납과 카드뮴의 산화에 의해 발생한 전류로써 이 값으로 부터 해당 중금속의 농도를 정량적으로 판별 할 수 있다. 도 5에 상기 휴대용 중금속 검출용 센서의 성능 평가 결과를 나타내었다.
도 5에 나타난 바와 같이, 납과 카드뮴이 해당 인가전압에서 뚜렷하게 나타났으며, 두 물질의 전류량이 1:1에 가까운 비슷한 수준으로 측정되고 중금속의 농도 (100 ppb 내지 500 ppb)의 증가에 따라 전류량이 증가되는 현상을 확인하였으며, 이 결과로 부터 상기 휴대용 중금속 검출용 센서의 납과 카드뮴의 동시 검출성능을 확인하였다.
휴대용 중금속 검출용 센서의 적합성 평가
Anodic Stripping Voltammetry 원리를 활용한 상기 중금속 검출 센서를 센서로서의 적합성 판단 및 정량적 분석 수단으로 사용하기 위하여 해당 중금속(납 및 카드뮴)의 산화에 의해 발생한 전류량과 중금속 농도와의 상관관계 분석을 실시하였다. 도 6에 상기 휴대용 중금속 검출용 센서의 적합성 평가 결과를 나타내었다. 도 6에 나타난 바와 같이, 중금속의 농도와 해당 중금속의 산화에 의해 발생한 전류량 사이에 납과 카드뮴 두 종류 모두 선형적인 결과(중금속 농도 증가에 따른 전류량 증가)를 보이고 있음을 확인하였으며, 이로부터 중금속 검출센서로서의 적합성 및 정량분석 가능성이 있음을 확인하였다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 첨부된 특허 청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정의 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
1: 용기
2: 상대전극
3: 센싱전극
4: 기준전극
5: 목부
6: 회전부재
7: 슬립링
8: 포텐시오 스탯
9: 시료
10: 휴대용 중금속 검출 장치
11: 유리탄소 로드
12: 탄소 파우더
13: 폴리머
2: 상대전극
3: 센싱전극
4: 기준전극
5: 목부
6: 회전부재
7: 슬립링
8: 포텐시오 스탯
9: 시료
10: 휴대용 중금속 검출 장치
11: 유리탄소 로드
12: 탄소 파우더
13: 폴리머
Claims (9)
- 검출 시료를 담는 용기;
상기 검출 시료에 침지되는 센싱전극;
상기 센싱전극에 연결된 목부;
상기 목부에 회전력을 전달하는 회전부재;
상기 목부의 둘레를 감싸도록 위치하는 슬립링; 및
상기 슬립링과 연결되어 상기 센싱전극에 전압을 제공하는 포텐시오 스텟을 포함하는 중금속 검출용 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 중금속 검출용 센서는 상기 검출 시료에 침지되는 기준전극 및 상대전극을 추가로 포함하는 중금속 검출용 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 센싱전극은 상기 용기의 중심에 위치하는 것을 특징으로 하는 중금속 검출용 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 회전부재는 1000 rpm으로 회전되는 것을 특징으로 하는 중금속 검출용 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 센싱전극은,
중공형의 폴리머;
상기 폴리머의 일측 내부로 삽입되는 목부;
상기 폴리머의 타측 내부에 위치하는 유리탄소 로드; 및
상기 폴리머 내부에 위치하며, 상기 목부 및 상기 유리탄소 로드 사이에 위치하는 탄소 파우더를 포함하는 것을 특징으로 하는 중금속 검출용 센서.
- 제2항에 있어서, 상기 기준전극은,
포화된 KCl 용액에 함침시킨 Ag 와이어;
유리 백금 와이어가 장착된 유리 캐필라리; 및
상기 유리 캐릴라리에 위치시킨 전기도금 된 상기 Ag 와이어로 구성되는 것을 특징으로 하는 중금속 검출용 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 회전부재가 회전함에 따라 상기 센싱전극의 표면에 발생하는 기포를 제거하는 것을 특징으로 하는 중금속 검출용 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 슬립링은 상기 목부와 소정간격 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 중금속 검출용 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 중금속 검출용 센서는 휴대용으로 제작되는 것을 특징으로 하는 중금속 검출용 센서.
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