KR20230139400A - 공기 중 유해물질 검출 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 공기 중 유해물질 검출 시스템에 관한 것으로, 공기 중의 유해물질을 포집하여 포집액을 생성하는 공기포집 모듈; 및 상기 포집액을 농축 및 정제하여 분석대상 샘플을 형성하는 전처리부와, 상기 샘플로부터 유해물질을 검출하는 검출부를 구비하는 전처리 및 검출모듈을 포함한다. 이러한 본 발명은 공기의 포집, 농축 및 전처리, 검출에 이르는 과정이 연속적으로 수행되어 공기 중 유해 물질을 실시간으로 신속하게 분석할 수 있는 효과가 있다.

Description

공기 중 유해물질 검출 시스템{System for detection of harmful substances in air}
본 발명은 공기 중 유해물질 검출 시스템에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 공기 포집, 농축 및 전처리, 검출 과정을 연속적으로 수행하여 공기 중의 감염성 병원체를 실시간으로 모니터링 할 수 있는 공기 중 유해물질 검출 시스템에 관한 것이다.
산업이 발달함에 따라 생활의 편의성이 증대된 반면 산업체에서 발생되는 각종 오염원에 의한 환경 파괴가 광범위하게 일어나고 있으며, 인체에 각종 질환을 유발시킬 수 있는 악취나 휘발성 유기화합물(Volatile Organic Compounds:VOC) 등에 의한 대기오염은 심각한 실정이다.
아울러 공기 중에 부유하여 인체의 건강에 악영향을 미치는 미생물 및 바이러스 등과 같은 다양한 유해인자들이 밝혀지면서 공기 중의 유해 물질에 대한 분석 필요성이 대두되고 있다.
이에 따라 공기 중의 유해 물질의 분석을 위해 공기를 포집하는 장치가 개발되기도 하였다.
그러나, 종래 기술의 경우 공기 중의 유해 물질을 포집하여 시료를 제작한 후에는 이를 분석하기 위해 별도의 분석 장치를 활용하여야 하기 때문에 공기 중의 유해 물질을 분석하기까지 상당한 시간이 소요되는 단점이 있다.
이처럼 공기 중 물질이 포집된 후 시료의 분석이 수행되기까지 상당한 시간이 소요되고 별도의 장치로 시료가 이재되는 과정에서 시료가 변질되거나 오염되는 문제가 나타나기도 한다.
한국공개특허 제10-2012-0123576호(2012.11.08.)
상기한 문제를 해결하기 위해 본 발명은 공기의 포집, 농축 및 전처리, 검출에 이르는 과정이 연속적으로 수행되어 공기 중 유해 물질을 실시간으로 신속하게 분석할 수 있는 공기 중 유해물질 검출 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 공기 중의 유해물질을 포집하여 포집액을 생성하는 공기포집 모듈; 및 상기 포집액을 농축 및 정제하여 분석대상 샘플을 형성하는 전처리부와, 상기 샘플로부터 유해물질을 검출하는 검출부를 구비하는 전처리 및 검출모듈을 포함하는 공기 중 유해물질 검출 시스템을 제공한다.
상기 공기 중 유해물질 검출 시스템은 상기 포집액 및 상기 샘플을 이송하는 시료 이송부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 공기포집 모듈은 공기 중의 유해물질을 유입시키는 팬과, 액상의 포집매체가 수용되는 액상화부를 구비하고, 상기 팬에 의해 유입된 공기 중의 유해물질이 상기 포집매체에 충돌됨으로써 유해물질을 포함하는 상기 포집액이 생성되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 액상화부는 상기 팬의 하부에 배치되고 내부에 상기 포집매체가 수용되는 포집조; 및 상부면에 복수의 필라가 돌출형성되고, 상기 포집조의 내부에 경사지게 설치되어 회전하는 디스크를 구비하며, 상기 디스크는 적어도 부분적으로 상기 포집매체의 외부로 노출되도록 배치되는 것을 특징으로 한다.
또는 상기 액상화부는 상기 팬의 하부에 배치되고 내부에 상기 포집매체가 수용되는 포집조; 및 상부면에 복수의 필라가 돌출형성되고, 상기 포집조의 내부에 배치되는 디스크; 일측이 상기 디스크에 연결되는 랙기어; 상기 랙기어에 맞물려 회전함으로써 상기 디스크를 승강시키는 피니언기어; 및 상기 피니언기어에 연결되어 상기 피니언기어를 회전시키는 모터를 구비할 수 있다.
또한, 상기 전처리부는 횡류여과방식을 통해 상기 포집액을 농축시켜 상기 샘플을 형성하는 1차 전처리부; 및 자성 나노입자 및 버퍼를 이용하여 상기 1차 전처리부에서 형성된 상기 샘플을 농축 및 정제하는 2차 전처리부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 시료 이송부는 상기 포집액을 상기 공기포집 모듈로부터 상기 전처리부로 이송시키는 연동펌프; 및 상기 샘플을 상기 전처리부로부터 상기 검출부로 이송시키는 전자동 피펫을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 검출부는 중합효소연쇄반응법 또는 중합효소 증폭법을 포함하는 분자 진단 또는 형광면역분석법 또는 효소발광측정법을 포함하는 면역진단을 수행하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 공기의 포집, 농축 및 전처리, 검출에 이르는 과정이 연속적으로 수행되어 공기 중 유해 물질을 실시간으로 신속하게 분석할 수 있는 효과가 있다.
또한, 장기간에 걸쳐 특정 장소의 유해물질 검출 및 모니터링이 가능하다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 공기 중 유해물질 검출 시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 공기포집 모듈, 시료 이송부, 전처리 및 검출 모듈의 블럭도이다.
도 3은 공기포집 모듈에 구비되는 액상화부의 제1 실시예를 도시한 도면이다.
도 4는 도 3의 단면도이다.
도 5는 공기포집 모듈에 구비되는 액상화부의 제2 실시예를 도시한 도면이다.
도 6은 시료 이송부에 구비되는 전자동 피펫을 도시한 도면이다.
도 7은 전처리 및 검출 모듈을 도시한 도면이다.
도 8는 1차 전처리부에 의한 시료 처리과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 1차 전처리부에 의해 시료가 처리된 결과를 나타낸 그래프이다.
도 10은 2차 전처리부에 의한 시료 처리과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 2차 전처리부에 의해 시료가 처리된 결과를 나타낸 그래프이다.
도 12는 검출부를 도시한 도면이다.
도 13은 Human corona virus NL63에 대한 RPA 프라이머 및 프로브 제작 후 농도별 반응결과를 나타낸 그래프이다.
도 14는 Influenza A virus H1N1에 대한 RPA 프라이머 및 프로브 제작 후 농도별 반응결과를 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 첨가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 실시될 수 있음은 물론이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 공기 중 유해물질 검출 시스템을 도시한 도면이고, 도 2는 공기포집 모듈, 시료 이송부, 전처리 및 검출 모듈의 블럭도이며, 도 3은 공기포집 모듈에 구비되는 액상화부의 제1 실시예를 도시한 도면, 도 4는 도 3의 단면도이다. 또한, 도 5는 공기포집 모듈에 구비되는 액상화부의 제2 실시예를 도시한 도면이고, 도 6은 시료 이송부에 구비되는 전자동 피펫을 도시한 도면이며, 도 7은 전처리 및 검출 모듈을 도시한 도면이다. 또한, 도 8 및 도 9는 1차 전처리부에 의한 시료 처리과정과 그 결과를 설명하기 위한 도면이고, 도 10 및 도11은 2차 전처리부에 의한 시료 처리과정과 그 결과를 설명하기 위한 도면이다. 또한, 도 12는 검출부를 도시한 도면이다.
이하, 도 1 내지 도 12를 참고하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 공기 중 유해물질 검출 시스템(10)을 설명한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 공기 중 유해물질 검출 시스템(10)은 공기포집 모듈(100), 시료 이송부(200), 전처리 및 검출 모듈(300) 및 전원부(400)를 포함한다.
이러한 공기 중 유해물질 검출 시스템(10)은 도 1에 도시된 바와 같이 공기포집 모듈(100), 시료 이송부(200), 전처리 및 검출 모듈(300)이 하나의 시스템으로 이루어져 공기 중의 유해물질을 포집, 전처리 및 분석의 과정을 연속적으로 수행할 수 있도록 구성되고, 전원부(400)를 통해 각각에 전원이 공급된다.
구체적으로 공기포집 모듈(100)은 공기 중의 유해물질을 포집하여 포집액을 생성하는 역할을 한다.
더욱 상세하게 공기포집 모듈(100) 팬(110)과 액상화부(120)를 구비한다.
팬(110)은 공기를 흡입하여 공기 중의 유해물질을 액상화부(120) 내부로 유입시키는 역할을 하며, 수백 LPM에서 수천 LPM까지의 유량에 대응이 가능하도록 구성된다.
액상화부(120)는 증류수와 같은 액상의 포집매체(L)가 수용되는 포집조(122)를 구비하고, 팬(110)에 의해 유입된 공기 중의 유해물질이 포집매체(L)에 인입됨으로써 유해물질을 포함하는 포집액이 생성된다.
이러한 액상화부(120)는 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이 2가지의 실시예에 따라 형성될 수 있다.
먼저, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 제1 실시예에 따른 액상화부(120)는 포집조(122)의 내부에 경사지게 설치되어 회전하는 디스크(126)를 구비한다.
구체적으로, 제1 실시예에 따른 액상화부(120)는 팬(110)의 하부에 배치되고 내부에 포집매체(L)가 수용되는 포집조(122)와, 포집조(122)의 내부에 경사지게 설치되어 회전축(124)을 중심으로 회전하는 디스크(126)를 구비한다.
이와 같이 포집조(122) 내부에서 경사지게 설치되는 디스크(126)는 적어도 어느 일부분이 포집매체(L)의 외부로 노출되고, 나머지 부분은 포집매체(L)에 잠긴 상태로 회전하도록 배치된다.
또한, 디스크(126)의 상부면에는 복수의 필라(127)가 돌출형성되는데, 디스크(126)의 회전과정에서 포집매체(L)의 외부로 노출된 복수의 필라(127)에는 포집매체(L)의 막이 형성되고, 팬(110)에 의해 유입된 공기 중의 유해물질이 노출된 필라(127)에 충돌하여 유해물질의 포집효율이 향상된다.
디스크(126)의 포집매체(L) 외부로 노출되었던 부분은 디스크(126)의 회전에 의해 포집매체(L)의 내부로 잠기게 되면서 유해물질이 포집매체(L)에 잠기게 된다.
바람직하게 디스크(126)의 회전을 위해 디스크(126)의 테두리에는 복수의 톱니(128)들이 구비되고, 포집조(122)의 일측에는 톱니(128)들에 맞물려 회전하는 구동기어(130)가 구비된다.
제2 실시예에 따른 액상화부(120)는 포집조(122) 내부에 배치되는 디스크(126)가 승강되도록 구비된다.
이를 위해 디스크(126)에는 랙기어(140)가 연결되고, 랙기어(140)에 맞물려 회전함으로써 디스크(126)를 승강시키는 피니언기어(142)와 피니언기어(142)에 연결되어 피니언기어(142)를 회전시키는 모터(144)가 구비된다.
이때, 디스크(126)는 제1 실시예에서와 같이 상부면에 복수의 필라(127)가 형성된다.
디스크(126)는 랙기어(140) 및 피니언기어(142)에 의해 승강동작을 반복하는데, 상승된 상태에서는 필라(127)들이 포집매체(L)의 수면 위로 노출되고 하강한 상태에서는 필라(127)들이 포집매체(L)의 내부로 잠기게 된다.
디스크(126)가 상승하여 포집매채(L)의 외부로 노출된 필라(127)들에 충돌한 공기 중의 유해물질은 디스크(126)가 하강한 상태에서 포집매체(L)로 인입되어 포집액이 생성된다.
시료 이송부(200)는 포집액 및 샘플을 이송하는 역할을 하며, 연동펌프(210) 및 3축 스테이지에 의해 작동되는 전자동 피펫(220)을 구비한다.
구체적으로 연동펌프(210)는 공기포집 모듈(100)의 액상화부(120)에서 생성된 포집액을 전처리부(310)로 이송시키는 역할을 한다.
또한, 전자동 피펫(220)은 전처리부(310)에서 형성된 샘플을 전처리부(310)로부터 검출부(320)로 이송시키고, 2차 전처리부(314)에서 시약 및 버퍼를 튜브(T)로 주입하거나 제거하는 역할을 한다.
이러한 전자동 피펫(220)을 사용함으로써 불필요한 버퍼 등을 제거할 수 있고, 수십 마이크로리터 수준의 정밀함을 가짐으로써 검출부(320)에서 정밀도가 향상된 분석결과를 얻을 수 있다.
이때, 전자동 피펫(220)은 도 6에 도시된 바와 같이 특정 장치에 전용으로 사용되는 전용 팁이 아닌 일반적인 범용 피펫을 이용함으로써 자동 세척이 가능하고, 오염된 피펫 팁을 교체할 수 있어 용이하게 유지관리를 할 수 있다.
전처리 및 검출 모듈(300)은 포집액을 농축 및 정제하여 분석대상 샘플을 형성하는 전처리부(310)와, 샘플로부터 유해물질을 검출하는 검출부(320)로 이루어진다.
구체적으로 전처리부(310)는 횡류여과방식(tangential flow filtration)을 통해 포집액을 농축시켜 샘플을 형성하는 1차 전처리부(312)와, 실리카 자성 나노입자 및 버퍼를 이용하여 1차 전처리부(312)에서 형성된 샘플을 다시 농축 및 정제하는 2차 전처리부(314)를 포함한다.
이때, 1차 전처리부(312)는 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이 횡류여과방식의 멤브레인 필터를 통해 200㎖의 포집액을 대략 5분 이내의 빠른시간에 20㎖로 약 10배 농축이 가능하며, 이와 같은 신속한 농축과정을 통해 포집액 내의 병원체 손실을 최소화할 수 있다.
또한, 2차 전처리부(314)는 도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이 1차 전처리부(312)에서 농축되어 형성된 샘플을 검출부(320)에서 분석할 수 있도록 2차 농축하고 정제하여 손실율 10% 이하로 약 200배 이상 농축이 가능하다.
이와 같은 2차 전처리부(314)는 실리카 자성 나노 입자가 수용된 튜브(T)에 자력을 인가하는 마그넷(316)과 마그넷(316)을 튜브(T)의 하부로 위치시키는 서보모터(318)를 구비한다(도 7 참고).
구체적으로 도 10을 참고하여 2차 전처리부(314)에서의 처리과정을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 전자동 피펫(220)은 1차 전처리부(312)에서 농축된 샘플을 튜브(T)로 이송시키고, 농축된 샘플에 바인딩 버퍼와 실리카 자성 나노 입자를 주입한다. 이후, 서보모터(318)를 구동하여 마그넷(316)을 튜브(T)의 하부로 위치시켜 일정 시간동안 자력을 인가하여 용액을 분리시킨다. 일정 시간이 지나 용액의 분리가 완료되면 전자동 피펫(220)을 이용하여 튜브(T) 내의 상등액을 제거하고, 마그넷(316)을 원위치시킴으로써 농축된 자성 나노 입자를 획득한다. 이후, 획득한 자성 나노 입자를 정제하여 검출부(320)에서의 분자진단을 위한 농축된 샘플을 얻게 된다.
검출부(320)는 중합효소연쇄반응법(Polymerase Chain Reaction; PCR) 또는 중합효소 증폭법(Recombinase Polymerase Amplification; RPA) 등을 이용한 분자 진단이나, 형광면역분석법 또는 효소발광측정법을 포함하는 면역진단을 수행함으로써 샘플에 포함된 병원체 등의 유해물질을 검출한다.
이를 위해 검출부(320)는 96 웰-플레이트(96 well-plate)와 같은 공지된 분석 수단을 구비할 수 있다.
일반적인 경우 1회 측정을 위해서는 2 내지 3개의 웰을 사용하게 되고 다채널 및 여러 검체를 측정하게 되면 더 많은 웰을 사용하게 되는데, 본 발명의 검출부(320)는 웰 플레이트를 복수 개 적재하여 사용이 완료된 웰 플레이트를 교체할 수 있도록 구비된다.
한편, 검출부(320)에서의 분자진단 과정에서는 분자진단에 저해 요소로 작용하는 에탄올 등의 용매를 제거하기 위해 TPW(Two Phase Washing) 스텝을 추가로 수행할 수 있으며, 이를 통해 자동화 과정에서 남게 되는 잔여물에 대한 인히비션(inhibition)을 최소화할 수 있다.
도 13은 Human corona virus NL63에 대한 RPA 프라이머 및 프로브 제작 후 농도별 반응결과를 나타낸 그래프이고, 도 14는 Influenza A virus H1N1에 대한 RPA 프라이머 및 프로브 제작 후 농도별 반응결과를 나타낸 그래프이다.
본 발명의 공기 중 유해물질 검출 시스템(10)을 통해서 등온 핵산 증폭을 위한 RPA 프라이머 및 프로브 제작 및 민감도를 확인한 결과 휴먼 코로나 바이러스 NL63(Human corona virus NL63) 및 인플루엔자 A 바이러스 H1N1(Influenza A virus H1N1)에 대한 RPA 프라이머 및 프로브 제작 후 농도별 반응결과 1*10^2 TCID50/reaction 이하로 검출 가능함을 확인하였다. 이때, 40°C 등온으로 검출 시간은 RT 반응 포함 20분 이내 시그널을 확인할 수 있었다.
상술한 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 공기 중 유해물질 검출 시스템(10)은 공기의 포집, 농축 및 전처리, 검출에 이르는 과정이 연속적으로 수행되어 공기 중 유해 물질을 실시간으로 신속하게 분석할 수 있으며, 장기간에 걸쳐 특정 장소의 유해물질 검출 및 모니터링이 가능하다는 장점이 있어 매우 유용한 것이다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 청구 범위에 의해서 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 공기 중 유해물질 검출 시스템
100: 공기포집 모듈 110: 팬
120: 액상화부 122: 포집조
124: 회전축 126: 디스크
127: 필라 128: 톱니
130: 구동기어 140: 랙기어
142: 피니언기어 144: 모터
200: 시료 이송부
210: 연동펌프 220: 전자동 피펫
300: 전처리 및 검출 모듈
310: 전처리부 312: 1차 전처리부
314: 2차 전처리부 316: 마그넷
318: 서보모터 320:검출부
400: 전원부 L: 포집매체
T: 튜브

Claims (8)

  1. 공기 중의 유해물질을 포집하여 포집액을 생성하는 공기포집 모듈; 및
    상기 포집액을 농축 및 정제하여 분석대상 샘플을 형성하는 전처리부와,
    상기 샘플로부터 유해물질을 검출하는 검출부를 구비하는 전처리 및 검출모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 중 유해물질 검출 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 포집액 및 상기 샘플을 이송하는 시료 이송부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 중 유해물질 검출 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 공기포집 모듈은
    공기 중의 유해물질을 유입시키는 팬과, 액상의 포집매체가 수용되는 액상화부를 구비하고,
    상기 팬에 의해 유입된 공기 중의 유해물질이 상기 포집매체에 인입됨으로써 유해물질을 포함하는 상기 포집액이 생성되는 것을 특징으로 하는 공기 중 유해물질 검출 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 액상화부는
    상기 팬의 하부에 배치되고 내부에 상기 포집매체가 수용되는 포집조; 및
    상부면에 복수의 필라가 돌출형성되고, 상기 포집조의 내부에 경사지게 설치되어 회전하는 디스크를 구비하며,
    상기 디스크는 적어도 부분적으로 상기 포집매체의 외부로 노출되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 공기 중 유해물질 검출 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 액상화부는
    상기 팬의 하부에 배치되고 내부에 상기 포집매체가 수용되는 포집조; 및
    상부면에 복수의 필라가 돌출형성되고, 상기 포집조의 내부에 배치되는 디스크;
    일측이 상기 디스크에 연결되는 랙기어;
    상기 랙기어에 맞물려 회전함으로써 상기 디스크를 승강시키는 피니언기어; 및
    상기 피니언기어에 연결되어 상기 피니언기어를 회전시키는 모터를 구비하는 것을 특징으로 하는 공기 중 유해물질 검출 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전처리부는
    횡류여과방식을 통해 상기 포집액을 농축시켜 상기 샘플을 형성하는 1차 전처리부; 및
    자성 나노입자 및 버퍼를 이용하여 상기 1차 전처리부에서 형성된 상기 샘플을 농축 및 정제하는 2차 전처리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 중 유해물질 검출 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 시료 이송부는
    상기 포집액을 상기 공기포집 모듈로부터 상기 전처리부로 이송시키는 연동펌프; 및
    상기 샘플을 상기 전처리부로부터 상기 검출부로 이송시키는 전자동 피펫을 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 중 유해물질 검출 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 검출부는 중합효소연쇄반응법 또는 중합효소 증폭법을 포함하는 분자 진단 또는 형광면역분석법 또는 효소발광측정법을 포함하는 면역진단을 수행하는 것을 특징으로 하는 공기 중 유해물질 검출 시스템.
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