KR20220107347A - 공기 중 에어로졸의 실시간 분석 장치 - Google Patents

공기 중 에어로졸의 실시간 분석 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 공기 중 에어로졸 실시간 분석 장치는 외부 공기를 흡입하고 공기 중 포함된 에어로졸을 분리하여 포집용액으로 유입시키는 포집부와, 상기 포집용액에 포함된 입자를 분석하는 검출부를 포함하고, 상기 검출부는, 상기 포집용액이 유입되는 메인채널; 상기 메인채널의 분기점에서 분기되는 적어도 하나 이상의 분기채널; 상기 분기채널에 설치되는 전극; 및 상기 분기채널을 지나가는 에어로졸에 의한 임피던스 변화를 측정하는 임피던스 측정기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

공기 중 에어로졸의 실시간 분석 장치{Real-time analysis device of aerosol in air}
본 발명은 공기 중 에어로졸의 실시간 분석 장치에 관한 것이다.
중증급성호흡기증후군(severe acute respiratory syndrome: SARS), 중동호흡기증후근(middle east respiratory syndrome: MERS), 신종인플루엔자A(novel swine-origin influenza A: H1N1), 그리고 팬데믹 선언까지 이루이전 코로나19(Coronavirus disease-10: COVID-19) 등은 각종 호흡기 감염질환의 환자로부터 나오는 공기 중의 감염성 입자(바이러스)가 먼 거리를 이동하여 환자와 접촉하지 않은 사람에게도 전파되어 감염을 유발할 수 있다.
기침, 재채기, 구토, 말하기 등을 통해 바이러스가 에어로졸(aerosol)의 형태로 기류를 타고 공기 중에 퍼져 제3자(피감염자)가 흡입하게 되면서 감염 확산이 발생한다.
특히, 호흡기 감염질환의 경우 3밀(密) 환경(밀폐, 밀접, 밀집)에서 전염 위험성이 높아진다.
바이러스와 같은 바이오 에어로졸은 통상적으로 현미경, 배양 기술, 중합 효소 연쇄 반응 (PCR) 및 효소 결합 면역 흡착 분석 (ELISA)을 통해 분석된다. 그러나 이러한 방법은 숙련된 작업자가 필요하거나 결과를 얻는 데 오랜 시간이 걸리므로 실시간 분석에 적합하지 않다.
실시간으로 해당 장소의 에어로졸을 분석하여 호흡기 감염질환을 유발하는 바이러스를 분석할 수 있다면, 높은 전염성의 호흡기 감염질환의 전파를 사전에 예방할 수 있을 것이다.
본 발명의 일 목적은 실시간으로 공기중의 에어로졸을 분석할 수 있는 공기 중 에어로졸의 실시간 분석 장치를 제공하는 것이다.
한편, 본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 것이다.
이상에서 설명한 문제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 중 에어로졸 실시간 분석 장치는 외부 공기를 흡입하고 공기 중 포함된 에어로졸을 분리하여 포집용액으로 유입시키는 포집부와, 상기 포집용액에 포함된 입자를 분석하는 검출부를 포함하고, 상기 검출부는, 상기 포집용액이 유입되는 메인채널; 상기 메인채널의 분기점에서 분기되는 적어도 하나 이상의 분기채널; 상기 분기채널에 설치되는 전극; 및 상기 분기채널을 지나가는 에어로졸에 의한 임피던스 변화를 측정하는 임피던스 측정기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 검출부를 지나는 에어로졸의 형광 특성을 측정하는 형광 측정기;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 포집용액은 바이오 에어로졸을 염색할 수 있는 염색 염료를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 분기채널은 상기 분기점에서 양쪽으로 분기되는 제1분기채널 및 제2분기채널을 포함하고, 상기 제1분기채널에는 제1전극이 설치되고, 상기 제2분기채널에는 제2전극이 설치되며, 상기 임피던스 측정기는 상기 제1전극과 상기 제2전극 사이의 임피던스 변화를 측정하는 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 포집용액은 전해액인 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 포집부와 상기 검출부 사이에는 펌프가 설치되며, 상기 펌프에 의해 포집용액이 상기 포집부에서 상기 검출부로 이송되는 것을 특징으로 하는 할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 포집부는, 외부 공기가 유입되는 유입구; 상기 유입구에 연결되며, 상부의 지름보다 하부의 지름이 작아지는 싸이클론 하우징; 상기 싸이클론 하우징의 하부에 위치하며, 포집용액이 수용되고, 상기 싸이클론 하우징 내로 유입된 외부 공기에 있던 에어로졸이 분리되어 포집되는 포집용액 수용부; 및 상기 싸이클론 하우징의 상부에 위치하며, 외부 공기에 있던 에어로졸이 분리되고 난 후의 공기가 빠져나가는 유출구;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 공기 중 에어로졸 실시간 분석 장치는 바이오 에어로졸의 분석이 가능한 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 분기채널의 폭은 측정하고자 하는 에어로졸의 직경보다 큰 것을 특징으로 할 수 있다.
이상에서 설명한 문제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 공기 중 에어로졸 실시간 분석 장치는 외부 공기를 흡입하고 공기 중 포함된 에어로졸을 분리하여 포집용액으로 유입시키는 포집부와, 상기 포집용액에 포함된 입자를 분석하는 검출부를 포함하고, 상기 검출부는, 상기 포집용액이 유입되는 메인채널; 및 상기 검출부를 지나는 에어로졸의 형광 특성을 측정하는 형광 측정기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 공기 중 에어로졸 실시간 분석장치는 포집부에서 공기를 흡입하여 에어로졸을 공기로부터 분리하여 포집용액으로 포집하고, 에어로졸이 포집된 포집용액을 검출부로 유입시켜 분석한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 공기 중 에어로졸 실시간 분석장치의 검출부는 제안하는 형상을 가지는 유동 싸이토매트리(flow cytometry)를 이용함으로써 에어로졸을 입자 하나하나 분석할 수 있다.
특히, 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 중 에어로졸 실시간 분석장치는 유동 싸이토매트리에 형광 분석유닛으로 살아있는 E. coli와 죽어있는 E. coil를 분류하였는바, 바이러스와 같은 바이오 에어로졸의 분석에 이용될 수 있다.
따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 중 에어로졸 실시간 분석장치를 통해 공기 중에 있는 바이러스를 실시간으로 분석할 수 있는 토대를 제공할 수 있다.
한편, 여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급됨을 첨언한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 중 에어로졸 실시간 분석장치의 개략적 구조도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 중 에어로졸 실시간 분석장치의 개략적 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 중 에어로졸 실시간 분석장치의 임피던스 측정기의 설명을 위한 개략적 참고도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 중 에어로졸 실시간 분석장치의 형광 측정기의 설명을 위한 개략적 참고도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 중 에어로졸 실시간 분석장치의 성능을 시험하기 위해 진행한 실험의 개략적 모식도이다.
도 6은 2.07 μm의 지름을 가지는 마이크로 비드의 실제 농도와 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 중 에어로졸 실시간 분석장치에서 이용된 검출부로 측정한 농도를 함께 표시한 그래프이다.
도 7 내지 도 10은 챔버에 설치된 에어로졸 분광계를 이용하여 챔버 내부의 입자 농도를 측정한 결과이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 중 에어로졸 실시간 분석장치의 임피던스 측정기를 이용하여 0.96 μm, 2.07 μm, 및 2.95 μm의 지름을 가지는 마이크로 비드가 검출부에 유입될 경우의 임피던스 값을 측정한 것이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 중 에어로졸 실시간 분석장치의 임피던스 측정기를 이용하여 E. coli와 3가지 종류의 마이크로 비드의 입자수와 지름을 측정한 것이다.
도 13 및 14는 각각 2.07 μm의 지름을 가지는 마이크로 비드 및 E. coli를 이용하여 본 발명의 공기 중 에어로졸 검출 장치의 효율을 측정한 것으로서, 본 발명의 공기 중 에어로졸 검출 장치와, 형광활성화세포분류기(FACS), 에어로졸 분광계를 이용한 입자 농도를 비교한 것이다.
도 15는 먼지와, 살아있는 E. coli, 죽은 E. coli의 혼합물의 현미경 사진을 측정한 것이다.
도 16및 도 17은 임피던스 측정 데이터와 형광 데이터를 함께 표시한 것으로서, 살아있는 E. coli, 죽은 E. coli 및 먼지를 측정한 결과이다.
도 18 및 도 19는 임피던스 측정 데이터와 형광 데이터를 함께 3차원 그래프로 표시한 것으로서, 살아있는 E. coli, 죽은 E. coli 및 먼지를 측정한 결과이다.
첨부된 도면은 본 발명의 기술사상에 대한 이해를 위하여 참조로서 예시된 것임을 밝히며, 그것에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지는 아니한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예가 안내하는 본 발명의 구성과 그 구성으로부터 비롯되는 효과에 대해 살펴본다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 중 에어로졸 실시간 분석장치의 개략적 구조도이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 중 에어로졸 실시간 분석장치의 개략적 모식도이다.
이하, 도면을 참고하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 중 에어로졸 실시간 분석장치(1, 이하, "실시간 분석장치"라 한다)에 대해 설명하도록 한다.
본 발명의 실시간 분석장치(1)는 포집부(10)와 검출부(30)를 포함하며, 포집부(10)와 검출부(30)는 펌프(20)를 통해 연결된다.
포집부(10)는 외부공기를 흡입한다. 외부공기에는 공기 뿐만 아니라 대기 중을 떠도는 미세한 고체 입자 또는 액체 방울인 에어로졸(aerosol)을 포함한다.
에어로졸 중에는 바이러스나 박테리아 등의 바이오 에어로졸이 있다.
포집부(10)는 흡입한 외부 공기에서 에어로졸을 분리하여, 에어로졸은 검출부(30)로 보내고, 에어로졸이 분리된 공기는 다시 외부로 배출한다.
본 발명의 실시간 분석장치(1)는 고유의 구조를 가지는 유동 싸이토메트리(flow cytometry)를 이용하여 에어로졸을 분석한다.
유동 싸이토메트리에서 에어로졸을 실시간으로 분석하기 위해서는 포집되는 에어로졸이 곧 바로 포집용액으로 유입되어야 한다.
포집용액이 검출부(30)에서는 분석이 수행되는 용액이 된다.
이를 위해 포집부(10)는 유입구(11), 싸이클론 하우징(12), 포집용액 수용부(13) 및 유출구(14)를 포함한다.
유입구(11)로는 외부 공기가 유입된다.
싸이클론 하우징(12)은 유입구(11)에 연결되며, 상부의 지름보다 하부의 지름이 작아진다.
즉, 싸이클론 하우징(12)은 원뿔 또는 원뿔의 형태를 가지며, 유입구(11)로 유입된 공기가 싸이클론 하우징(12)의 내벽을 따라 외부 선회류를 구성하면서 내려오게 되며, 중앙으로는 내부 선회류가 상승한다.
포집용액 수용부(13)는 싸이클론 하우징(12)의 하부에 위치하며, 포집용액(L)이 수용되고, 싸이클론 하우징(12) 내로 유입된 외부 공기에 있던 에어로졸이 분리되어 포집된다.
후술하는 바와 같이 검출부(30)의 임피던스 측정기(31)를 이용하여 에어로졸에 의한 임피던스 변화를 감지하기 위해 포집용액(L)은 전해액을 이용할 수 있다.
전해액으로는 Dulbecco 's phosphate-buffered saline(DPBS) 또는 KCl 등을 이용할 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 후술하는 바와 같이 검출부(30)의 형광 측정기(32)를 이용하여 바이오 에어로졸에 대한 형광 검사를 수행하기 위하여, 포집용액(L)은 바이오 에어로졸을 염색할 수 있는 염색 염료를 더 포함할 수 있다.
염색 염료는 바이오 에어로졸의 종류에 따라 달라질 수 있으며, 공지의 것을 이용할 수 있다.
에어로졸은 싸이클론 하우징(12)의 내부에서 외부 선회류를 따라 움직이다가가 중력, 원심력 등의 이유로 하부로 떨어져 포집용액(L)으로 들어가게 된다.
에어로졸이 분리되고 난 후의 공기는 내부 선회류를 따라서 유출구(14)로 빠져나간다.
포집부(10)의 포집용액 수용부(13)와 검출부(30)의 사이에는 펌프(20)로 연결되어, 펌프(20)가 포집용액 수용부(13)에 수용되는 포짐용액(L)을 검출부(30)로 이송한다.
포집용액(L)이 포집용액 수용부(13)에서 검출부(30)로 이송될 때 포집용액(L) 내의 에어로졸도 함께 이송된다.
펌프(20)로는 시린지 펌프(syringe pump)를 이용할 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
검출부(30)에서는 유입된 포집용액에 포함되어 있는 에어로졸에 대한 분석이 수행된다.
여기서 분석이라는 것은 에어로졸의 농도, 크기, 종류 등을 의미한다.
검출부(30)로는 유동 싸이토메트리를 이용한다.
검출부(30)는 임피던스 측정기(31)와 형광 측정기(32)를 포함한다.
임피던스 측정기(31)는 에어로졸의 농도와 크기를 검출할 수 있으며, 형광 측정기는 에어로졸의 종류를 확인할 수 있다.
다만, 이외에도 전기적 특성 또는 광학적 특성을 이용한 분석방안을 검출부(30)에 적용하는 것도 가능할 것이다.
나아가 액체 성분의 에어로졸에 의해 포집용액의 성분 변화를 감지하는 것도 가능하다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 중 에어로졸 실시간 분석장치의 임픽던스 측정기의 설명을 위한 개략적 참고도이다.
검출부(30)는 포집용액이 유입되는 메인채널(301)과, 메인채널(301)의 분기점(302)에서 분기되는 적어도 하나 이상의 분기채널(303, 304)를 포함한다.
검출부(30)는 유리를 식각하여 형성되거나, 폴리디메틸실록산에 채널을 패턴화하여 형성될 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
도 3에서와 같이, 분기채널은 메인채널(301)의 단부의 분기점(302)에서 분기하는 제1분기채널(303) 및 제2분기채널(304)을 구비할 수 있다.
다만, 이와 달리 메인채널(301)의 중간의 분기점에서 분기하는 것도 가능하다.
분기채널(303, 304)에는 전극(305, 306)이 설치된다.
전극(305, 306)으로는 Ag/AgCl전극을 이용할 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
한편, 전극(305, 306)은 분기채널(303, 304)과 연결된 별도의 전극 설치부에 설치하여, 분기채널(303, 304)를 흐르는 포집용액의 흐름이 전극에 의해 방해되지 않도록 할 수 있다. 본 발명에서 분기채널에 전극이 설치된다는 것은, 분기채널에 연결된 전극 설치부에 전극을 설치하는 것을 포함하는 의미이다.
도 3에서와 같이, 전극은 제1분기채널(303)에 설치되는 제1전극(305)와 제2분기채널(304)에 설치되는 제2전극(306)을 포함한다.
전극(305, 306)에는 임피던스 측정기(31)가 연결되며, 분기채널(303, 304)을 지나가는 에어로졸에 의한 임피던스 변화를 측정한다.
예컨대, 임피던스 측정기(31)는 제1전극(305) 및 제2전극(306)의 사이에 연결되며, 임피던스 측정기(31)가 제1전극(305)과 제2전극(306) 사이의 임피던스 변화를 측정한다.
임피던스 측정기(31)는 DC 임피던스 측정기를 이용할 수 있다.
채널로 에어로졸이 포함된 포집용액이 흘러갈 경우 에어로졸이 채널의 단면에 대해 소정의 면적을 차지하기 때문에 임피던스 측정기(31)에서 측정되는 임피던스 값에 변화가 생긴다.
또한, 에어로졸의 크기가 작은 경우와 큰 경우를 비교해보면, 에어로졸 입자의 크기가 큰 경우 채널의 단면에 대해 차지하는 면적이 커져서 임피던스 측정기(31)에서 측정되는 임피던스 값의 변화가 크다.
이와 같은 원리를 이용하면, 포집용액 내의 에어로졸의 개수를 계수할 수 있고, 뿐만 아니라 에어로졸의 크기를 하나하나 측정할 수 있다.
분기채널(303, 304)로 에어로졸이 지나갈 경우에는 분기채널(303, 304)의 폭은 에어로졸의 직경보다 큰 폭을 가진다.
분기채널(303, 304)의 단부에는 유출채널(미도시)를 형성하여, 분석이 완료된 포집용액은 외부로 빠져나간다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 중 에어로졸 실시간 분석장치의 형광 측정기의 설명을 위한 개략적 참고도이다.
형광 측정기(32)는 검출부(30)를 지나는 에어로졸의 형광 특성을 측정한다.
임피던스 측정기(31)에서 감지한 에어로졸에 대한 형광 특성을 알기 위해 형광 측정기(32)는 분기채널(303, 304) 또는 분기점(302)에 설치되는 것이 바람직하다.
형광 측정기(32)는 광원(321)에서 발생시킨 빛이 에어로졸을 통과하며 생기는 형광을 분석하는 것이다.
반사되어 나온 반사광을 분석하여 에어로졸의 형광특성을 분석하는 것이다.
광원(321)으로는 레이저를 이용할 수 있으며, 예컨대 블루 레이저를 이용할 수 있다.
광원(321)에서 발생된 레이저는 이색성 거울(322, dichroic mirror)에 반사되어 검출부(30)를 지나는 에어로졸로 입사되고, 에어로졸에서 반사된 빛은 공간 필터(323, spatial filter), 이색성 거울(322), 및 필름 필터(324, film filter)를 통과하여 고체광전자배증관(325, Solid-sate photomultiplier (SSPM))에 도달하게 된다. 이를 이용하여 형광 측정부(32)에서 에어로졸의 형광특성을 분석하게 된다.
특히, 전술한 바와 같이, 포집용액에 특정한 염색염료가 포함되어 있는 경우 바이오 에어로졸에 대한 형광 분석을 수행할 수 있다.
예를 들어, 녹색 염료와 붉은색 염료는 살아있는 바이러스와 죽은 바이러스의 세포벽을 염색하는 정도에 차이가 있으므로, 이를 이용하여 검출한 에어로졸이 살아있는 바이러스인지 죽은 바이러스인지 알 수 있다.
또한, 바이러스가 아닌 단순한 먼지인 경우에는 염색이 되지 않으므로, 에어로졸이 바이러스와 먼지인지 여부를 구분하는 것도 가능하다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 중 에어로졸 실시간 분석장치의 성능을 시험하기 위해 진행한 실험의 개략적 모식도이다.
본 발명의 에어로졸 실시간 분석장치(1)의 성능을 분석하기 위해 도 5와 같이 실험을 구성하였다.
실험에 이용할 바이오 에어로졸로는 E. coli BL21을 선정하였다. E. coli는 LB (lysogeny broth) (카르 베니 실린) 플레이트에서 14 시간 동안 성장시켰다.
단일 콜로니를 골라 내고, UV / Vis 분광 광도계 (Biodrop DUO; 영국)로 검출 된 600nm에서의 광학 밀도가 0.6에 도달 할 때까지 37 ℃, 250rpm에서 100mL의 LB (카르베니실린) 배지에서 배양했다.
생성된 용액을 50 mL 원심 분리 튜브에 재분배하고 4 ℃에서 10 분 동안 10,000rpm으로 원심 분리하였다.
상층액을 제거하고 잔류 물을 Dulbecco 's phosphate-buffered saline (DPBS; Welgene, Korea) 40 mL에 재현 탁하고 실온에서 1 시간 동안 배양했다.
배양된 샘플은 4 ℃에서 10 분 동안 10,000rpm으로 원심 분리된다. 상층액을 제거하고 생성된 펠릿을 20 mL의 DPBS로 다시 현탁시켰다.
실험이 수행된 챔버는 125L (0.5 Х 0.5 Х 0.5m3) 부피인 것을 이용하였다.
실험 중 외부로 퍼지는 것을 방지하기 위해 고효율 미립자 공기 (HEPA) 필터는 챔버 벽 옆에 설치했다.
2.07 μm 비드 현탁액 (20 mL, 5 x 107 입자 mL-1) 또는 박테리아 현탁액 (20 mL, 107 세포 mL-1)을 6-jet 충돌 분무기(BGI, USA)로 분무한다.
분무는 4L min-1의 여과된 공기 흐름으로 수행되었으며, 이는 질량 흐름 컨트롤러(VICD220; MFC Korea, Korea)를 사용하여 제어하였다.
분무 시간은 필요한 에어로졸 입자의 농도를 고려하여 조정되었다.
생성된 에어로졸은 확산 건조기로 건조시켰다. 챔버 내부에는 균질성을 위해 공기 팬이 사용되었으며, 챔버 내부의 공기는 항온 항습기에 의해 24 ℃ 및 50 %의 상대 습도로 유지되었다.
본 발명의 일 실시예에 따른 공기 중 에어로졸 실시간 분석장치를 이용하여 공기 중 에어로졸 실시간 분석을 수행하였다. 공기 중 에어로졸 실시간 분석장치의 포집부는 준비된 챔버에 설치되었으며, 검출부는 실험의 정확성을 위해 챔버 밖에 설치하였다.
다만, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 본 발명의 공기 중 에어로졸 실시간 분석장치 전체가 챔버 내에 설치되는 것도 가능하다.
한편, 포집부의 하부, 즉 포집용액 수용부에는 포집용액(10 mL의 DPBS)으로 채웠다.
모든 실험의 샘플링 시간은 300L min-1의 기류 속도에서 5 분이었다. 포집부는 각 샘플링을 수행한 후에 70 % 수성 에탄올로 세척하였다. 포집부에서 수집된 에어로졸이 포집용액은 분석을 위해 시린지 펌프(syringe pump)를 이용하여 검출부로 이송하여 분석을 수행하였다.
한편, 분석의 정확성을 평가하기 위하여 에어로졸 분광계(모델 1.108, Grimm, USA)를 본 발명의 공기 중 에어로졸 실시간 분석장치와 함께 사용하였다. 0.5-14.5 μm의 관련 크기 범위에서 입자 농도를 기준으로 측정했다.
각 실험이 종료된 후에는 챔버를 에탄올로 닦고 여과된 공기로 10 분 (4L min-1) 동안 세척하여 이전 실험에서 에어로졸을 제거하였다.
E. coli와 함께 형광 마이크로 비드(Fluorescent microbeads)를 시스템의 성능을 평가하는 데 사용하였다.
마이크로 비드의 평균 직경이 E. coli 세포와 비슷하도록 평균 직경이 0.96, 2.07 및 2.95 μm인 것을 사용하였다.
마이크로 비드는 사용 전에 DPBS에서 희석시킨다.
한편, 검출부는 다음과 같은 방법으로 제작되었다.
검출부의 제작은 포토 리소그래피를 이용하였으나, 본 발명의 검출부는 다른 방법 내지 다른 재질로 제작이 가능하다.
유리 슬라이드를 피라냐 용액 (H2SO4 : H2O2 = 3 : 1)에서 30 분 동안 세척 한 다음 탈 이온 (DI) 물, 아세톤(CMOS 등급, JT Baker) 및 메탄올 (CMOS 등급, JT Baker)로 씻어준다.
세 번 세척된 유리 슬라이드를 HMDS(hexamethyldisilazane) (Merck; Kenilworth, NJ, USA)로 6000 rpm에서 30 초 동안 스핀 코팅한다.
HMDS 코팅 된 슬라이드를 110
Figure pat00001
에서 1.5 분 동안 핫 플레이트에 놓고, 이어서 실온에서 1 분 동안 냉각시킨다.
그 후 포토 레지스트(PR) AZ9260 (Merck; Kenilworth, NJ, USA)을 6000rpm에서 30 초 동안 스핀 코터를 사용하여 유리 슬라이드 표면에 스핀 코팅한다.
PR 코팅된 슬라이드를 110
Figure pat00002
에서 1.5 분 동안 핫 플레이트에 놓고, 이어서 실온에서 15 분 동안 냉각시켰다.
슬라이드를 필름 포토 마스크 아래에 정렬하고 UV aligner (Midas System Co., Ltd., Korea)로 25 초 동안 UV 광 (365 nm, 18 mJ cm-2)에 노출시킨다.
UV 노출된 슬라이드는 UV 노출된 PR을 개발하기 위해 AZ400K 현상액 (Merck; Kenilworth, NJ, USA)에 담갔다.
그 다음 유리 슬라이드를 탈 이온수로 세척하고 깨끗한 공기에서 건조시킨다.
다음으로 슬라이드를 150
Figure pat00003
에서 15 분 동안 하드 베이킹한다. 상온으로 식힌 후 슬라이드를 6 : 1 완충 산화물 식각(BOE) 용액(JT Baker)을 사용하여 7 분 동안 식각하고 초음파 세정제 (351OE-DTH, Branson)를 사용하여 DI water로 15 분 동안 세척하여 불순물을 제거한다.
채널에서 패턴화 된 슬라이드는 1mm 드릴 비트를 사용하여 입구 및 출구 구멍을 만들기 위해 천공한 다음 패턴 화된 유리에 열 접착한다.
형성된 유입채널 및 분기 채널을 세척하고 1M KCl로 채웠다.
임피던스 측정 및 형광 측정은 다음과 같이 수행하였다.
임피던스 측정기는 두 개의 Ag / AgCl 전극 사이에 적용된 0.8V DC 바이어스를 생성하고 분기채널 사이의 임피던스 변화를 감지하였다.
DC 임피던스 분석 회로는 DC 구성 엘리먼트를 제거한 다음 회로의 연산 증폭기 구성 엘리먼트로 임피던스 신호를 증폭했다.
형광 특성과 DC 임피던스를 동시에 측정하기 위해 Ar 레이저(488nm)를 대물 렌즈(40 Х, Nikon)로 분석 영역을 타겟팅하였다.
형광 신호는 530/43 대역 통과 필터에 의해 광학 필터링하였고, PMT(Hamamatsu, Japan)에 의해 검출하였다.
한편, 임피던스 및 형광 신호는 30kHz 샘플링 속도로 DAQ 카드(USB-X-6356, National Instruments)를 통해 전송 및 저장하였다.
포집된 에어로졸은 포집용액과 함께 1 μL min-1의 유속으로 시린지 펌프(Cadent 3; IMI Norgren, Germany)에 의해 분석부로 주입된다.
시린지 펌프와 분석부는 Nano Port Assemblies (IDEX, USA)가 있는 100μm 직경의 유리 모세관 튜빙으로 연결하였다.
실험 과정을 살펴보면 포집부에서 에어로졸이 분사되어 있는 챔버 내의 공기를 포집하여 포집용액으로 에어로졸을 분리한다.
포집용액은 시린지 펌프에 의해 검출부로 이송된다.
검출부에서 포집용액은 임피던스 및 형광 감지가 이루어지는 분기 채널을 통과한다.
여기서 분기채널의 길이는 30μm, 너비와 깊이는 10μm였다.
분기채널에 각각 설치된 Ag / AgCl 전극에0.8V의 일정한 DC 전압을 인가하였다.
에어로졸이 분석 영역을 좁은 분기채널을 차단하여 이온 전류가 감소하여 임피던스 피크가 나타난다.
원칙적으로 임피던스 피크 진폭은 입자의 부피에 선형으로 나타나게 된다.
이와 동시에 블루 레이저(예를 들어, 488 nm Ar 레이저)는 도 2의 형광 검출 영역을 조사하고 형광 분자를 여기시킨다.
따라서 임피던스와 형광 신호는 동시에 획득하게 된다.
도 6은 2.07 μm의 지름을 가지는 마이크로 비드의 실제 농도와 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 중 에어로졸 실시간 분석장치에서 이용된 검출부로 측정한 농도를 함께 표시한 그래프이다.
포집용액 내의 에어로졸의 농도는 검출부에 의해 계산된다.
검출부의 농도 측정 성능을 평가하기 위해 농도를 알고 있는 2.07μm 형광 비드 용액을 포함하는 샘플을 검출부로 펌핑하였다.
DC 임피던스와 형광은 카운트에서 이물질을 제외하기 위해 동시에 측정하였으며, 일치하는 형광 신호가 없는 DC 임피던스 신호는 이물질로 간주되어 계수에서 무시되었다.
도 6은 5 가지 농도의 2.07μm 비드 현탁액의 농도 추정을 보여주며, 농도 범위는 ~ 1 Х 103 mL-1에서 ~ 1 Х 107 mL-1까지 선택되었다.
도 6을 참조하면 전체 농도 범위에서 비슷한 경향성을 보이는 것을 알 수 있다.
도 7 내지 도 10은 챔버에 설치된 에어로졸 분광계를 이용하여 챔버 내부의 입자 농도를 측정한 결과이다.
챔버 내부의 입자 농도는 도 7 내지 도 10에서 보는 같이, 에어로졸 분광계를 사용하여 측정하였다.
에어로졸 입자는 15 분 동안 관찰되었으며 그 중 처음 10 분 동안 다른 용액이 분무되었다.
도 7에서는 증류수(D.I. water)가 분무되었고, 전체 15 분 동안 1-3 μm 크기 입자의 농도 변화가 없었다.
도 8에서는 2.07 μm 비드가 포함된 증류수를 10 분 동안 분무하였으며, 그 결과 비드 직경에 가까운 범위에서 고농도가 관찰되었다.
도 9에서는 2.07 μm 비드가 포함된 증류수를 10 분 동안 분무하였으며 그 이후 에어샘플링이 진행되어 1-3 μm 크기 입자가 효과적으로 제거됨이 관찰되었다.
도 10에서는 10분동안 DPBS를 분무하였으며, 모든 직경 범위에서 고농도의 입자가 관찰되었고 그 이후 에어샘플링 시 효과적으로 제거됨이 관찰되었다.
도 10에서 관찰된 입자는 DPBS에서 이온이 확산 건조기를 통과하면서 염을 형성한 결과이다.
따라서 DPBS가 입자 신호를 간섭했기 때문에, 실험에서는. 원하는 입자가 분무되었는지 여부를 결정하는데 물을 용매로 사용하였다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 중 에어로졸 실시간 분석장치의 임피던스 측정기를 이용하여 0.96 μm, 2.07 μm, 및 2.95 μm의 지름을 가지는 마이크로 비드가 검출부에 유입될 경우의 임피던스 값을 측정한 것이며, 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 중 에어로졸 실시간 분석장치의 임피던스 측정기를 이용하여 E. coli,와 이용하여 3가지 종류의 마이크로 비드의 입자수와 지름을 측정한 것이다.
임피던스 피크 진폭과 마이크로 비드의 부피 사이의 상관 관계는 서로 다른 직경(0.96 μm, 2.07 μm 및 2.95 μm)의 에어로졸 형광 마이크로 비드를 사용하여 평가되었다.
본 발명의 실시간 분석장치로 얻은 임피던스 피크 진폭과 입자 부피는 도 11에서 확인할 수 있다.
도 11을 참조하면, 선형성이 R2 = 0.9967 인 검량선은 본 발명의 실시간 분석장치가 높은 신뢰성을 가짐을 증명한다.
피크 강도에서 계산된 마이크로 비드의 직경은 서로 명확하게 구별된다.
도 12에서는 E. coli 과 비드의 개수 및 크기를 하나의 그래프에 표현하였으며, E. coli와 비드의 직경과 통계적 계산은 표 1에 나타내었다.
Targets Mean of diameter SD of diameter CV (%)
0.96 μm bead 0.9444 0.09948 10.53
2.07 μm bead 2.099 0.1742 8.302
2.95 μm bead 2.899 0.1415 4.880
E. coli 1.641 0.2683 16.35
E. coli는 직경이 약 1 μm이고 길이가 약 2 μm 인 반구형 캡이있는 실린더 구조를 가지고 있으며, 표 1에서 계산 된 평균 직경 1.641μm는 실제 값과 상당히 일치한다.
도 13 및 14는 각각 2.07 μm의 지름을 가지는 마이크로 비드 및 E. coli를 이용하여 본 발명의 공기 중 에어로졸 검출 장치의 효율을 측정한 것으로서, 본 발명의 공기 중 에어로졸 검출 장치와, 형광활성화세포분류기(FACS), 에어로졸 분광계를 이용한 입자 농도를 비교한 것이다.
본 발명의 실시간 검출장치의 효율성은 에어로졸화 된 2.07μm 비드로 평가되었으며, 그 결과를 도 13에 표시하였다.
비드를 1, 3, 5, 7 및 10 분 동안 에어로졸화하여 챔버에서 분사하는 한편, 그 농도를 분광계로 별도로 측정했다.
이 과정에서 본 발명의 실시간 검출장치는 에어로졸화 된 비드를 10 mL DPBS 용액에 5 분 동안 수집했다.
용액의 일부를 DC 임피던스 기반 미세 유체 세포 계측기를 통해 넣고, 다른 부분은 참조하기 위해 형광 활성화 세포 분류기 (FACS)를 사용하여 측정했다.
도 13은 이러한 3 가지 측정에서 계산된 총 비드 수를 비교한다.
분광계와 FACS의 입자 수 비교로부터는 에어로졸을 얼마나 잘 수집하는지를 나타내는 수집 효율성을 알 수 있다.
수집 효율은 농도에 따라 달라지며, 평균 28.04 %였다.
FACS 및 임피던스 측정기에서 측정된 입자 수를 비교하면 검출 효율을 알 수 있다.
FACS에 비하여 본 발명에서 이용한 임피던스 측정기의 검출 효율은 평균 87.7 %였다.
다만, 여기서 12.3 % 손실은 시린지 펌프에 의한 잔류 용액의 발생에 의한 것이다.
따라서 본 발명의 임피던스 측정기의 검출 효율은 87.7% 이상으로 보는 것이 타당하다.
도 14는 E. coli에 대한 장치 효율성을 평가한 결과이다.
E. coli는 E. coli의 구조를 보존하기 위해 에어로졸화할 때 DPBS 용액에 희석되었다.
전술한 바와 같이 DPBS 용액에서 생성된 건조 염 때문에 공기 중의 입자 농도를 정확하게 측정할 수 없는 바, 도 14는 FACS와 본 발명의 실시간 분석장치의 측정 결과를 비교하였다.
본 발명의 실시간 분석장치에서 측정한 E. coli 용액의 농도는 FACS로 측정 한 농도와 비교하여 평균 81.6 % 수준을 나타내었다.
즉, 마이크로 비드와 E. coli를 대상으로 한 본 발명의 실시간 분석장치에 의한 검출 효율이 FACS를 기준으로 각각 87.7 %, 81.6 %임을 확인할 수 있으며, 이는 본 발명의 실시간 분석장치가 바이오 에어로졸에 대해서도 충분히 높은 검출 효율을 가짐을 증명하는 것이다.
도 15는 먼지와, 살아있는 E. coli, 죽은 E. coli의 혼합물의 현미경 사진을 측정한 것이다.
포집용액에 박테리아 염색 염료를 간단히 혼합하여 먼지, 살아있는 박테리아 및 죽은 박테리아를 구별하기 위해 장치를 추가하였다.
LIVE / DEAD® BacLight ™를 사용하여 살아있는 박테리아는 녹색으로, 죽은 박테리아는 빨간색으로 염색했다.
세포막 구조가 없는 입자는 염료를 적용할 수 없다.
E. coli는 모델 박테리아로 사용되었다.
그림 15는 BacLight 시약과 함께 혼합된 먼지, 살아있는 E. coli 및 죽은 E. coli의 현미경 이미지를 보여주며, E. coli는 화살표로 표시되어 있고 표시되지 않은 입자는 먼지이다.
본 발명의 실시간 분석장치의 실제 작동은 살아있는 E. coli 또는 죽은 E. coli와 혼합된 먼지가 포함된 개별 샘플로 실행되었다.
도 16및 도 17은 임피던스 측정 데이터와 형광 데이터를 함께 표시한 것으로서, 살아있는 E. coli, 죽은 E. coli를 측정한 결과이며, 도 18 및 도 19는 임피던스 측정 데이터와 형광 데이터를 함께 3차원 그래프로 표시한 것으로서, 살아있는 E. coli, 죽은 E. coli를 측정한 결과이다.
도 16은 선명한 녹색 형광을 가진 살아있는 E. coli의 동시 임피던스 및 형광 신호를 보여주며, 도 17은 선명한 적생 형광을 가진 죽은 E. coli의 동시 임피던스 및 형광 신호를 보여준다.
도 16 및 도 17은 녹색과 적색 형광의 비율은 E. coli가 살아있는 것인지 죽은 것인지 식별하기에 충분히 높은 것을 알 수 있다.
도 17 및 도 18은 각각 살아있는 E. coli 샘플 및 죽은 E. coli 샘플의 임피던스, 녹색 형광 및 적색 형광의 3 차원 플롯이다.
녹색 및 적색 형광 차이의 집단은 대다수 세포가 죽었는지 살아 있는지를 명확하게 구별하는 것을 알 수 있다.
따라서 포집 용액에 염색염료 등의 시약을 간단히 추가하면 박테리아가 독성을 잃었는지 여부를 알 수 있다.
나아가 표적과 목적에 따라 적절한 항체 및 형광 태그 또는 기타 방법을 사용하여 추가 식별이 이루어질 수 있다.
본 발명의 보호범위가 이상에서 명시적으로 설명한 실시예의 기재와 표현에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 자명한 변경이나 치환으로 말미암아 본 발명이 보호범위가 제한될 수도 없음을 다시 한 번 첨언한다.

Claims (10)

  1. 외부 공기를 흡입하고 공기 중 포함된 에어로졸을 분리하여 포집용액으로 유입시키는 포집부와, 상기 포집용액에 포함된 입자를 분석하는 검출부를 포함하고,
    상기 검출부는,
    상기 포집용액이 유입되는 메인채널;
    상기 메인채널의 분기점에서 분기되는 적어도 하나 이상의 분기채널;
    상기 분기채널에 설치되는 전극; 및
    상기 분기채널을 지나가는 에어로졸에 의한 임피던스 변화를 측정하는 임피던스 측정기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 중 에어로졸 실시간 분석 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 검출부를 지나는 에어로졸의 형광 특성을 측정하는 형광 측정기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 중 에어로졸 실시간 분석 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 포집용액은 바이오 에어로졸을 염색할 수 있는 염색 염료를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 중 에어로졸 실시간 분석 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 분기채널은 상기 분기점에서 양쪽으로 분기되는 제1분기채널 및 제2분기채널을 포함하고, 상기 제1분기채널에는 제1전극이 설치되고,상기 제2분기채널에는 제2전극이 설치되며, 상기 임피던스 측정기는 상기 제1전극과 상기 제2전극 사이의 임피던스 변화를 측정하는 것을 특징으로 하는 공기 중 에어로졸 실시간 분석 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 포집용액은 전해액인 것을 특징으로 하는 에어로졸 실시간 분석장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 포집부와 상기 검출부 사이에는 펌프가 설치되며, 상기 펌프에 의해 포집용액이 상기 포집부에서 상기 검출부로 이송되는 것을 특징으로 하는 공기 중 에어로졸 실시간 분석 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 포집부는,
    외부 공기가 유입되는 유입구;
    상기 유입구에 연결되며, 상부의 지름보다 하부의 지름이 작아지는 싸이클론 하우징;
    상기 싸이클론 하우징의 하부에 위치하며, 포집용액이 수용되고, 상기 싸이클론 하우징 내로 유입된 외부 공기에 있던 에어로졸이 분리되어 포집되는 포집용액 수용부; 및
    상기 싸이클론 하우징의 상부에 위치하며, 외부 공기에 있던 에어로졸이 분리되고 난 후의 공기가 빠져나가는 유출구;를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 중 에어로졸 실시간 분석 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 공기 중 에어로졸 실시간 분석 장치는 바이오 에어로졸의 분석이 가능한 것을 특징으로 하는 공기 중 에어로졸 실시간 분석 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 분기채널의 폭은 측정하고자 하는 에어로졸의 직경보다 큰 것을 특징으로 하는 공기 중 에어로졸 실시간 분석 장치.
  10. 외부 공기를 흡입하고 공기 중 포함된 에어로졸을 분리하여 포집용액으로 유입시키는 포집부와, 상기 포집용액에 포함된 입자를 분석하는 검출부를 포함하고,
    상기 검출부는,
    상기 포집용액이 유입되는 메인채널; 및
    상기 검출부를 지나는 에어로졸의 형광 특성을 측정하는 형광 측정기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 중 에어로졸 실시간 분석 장치.
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