KR20240011605A - Apparatus for detecting microplastics based on Differential Interference Contrast microscope system - Google Patents

Apparatus for detecting microplastics based on Differential Interference Contrast microscope system Download PDF

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KR20240011605A
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홍석원
김재헌
한지윤
박수빈
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한국과학기술연구원
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Abstract

본 발명은 광학기술을 기반으로 미세유체칩 내에서 유체에 존재하는 다양한 크기의 미세플라스틱을 투명도에 상관없이 실시간으로 검출, 분석할 수 있는 미세플라스틱 검출장치에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 광학기술을 기반으로 하는 미세플라스틱 검출장치는 미세플라스틱이 포함된 유체의 이동 공간인 미세채널을 구비하는 미세유체칩; 미세채널의 일 지점에 초점에 맞추어 유체에 포함되어 있는 미세플라스틱을 관찰하는 광학이미징 장치; 광학이미징 장치의 일측에 구비되어 광학이미징 장치에 의해 관찰된 이미지를 촬상하는 촬상장치; 및 촬상장치에 의해 촬상된 이미지를 분석하여, 해당 이미지에 포함되어 있는 미세플라스틱의 개수를 계수함과 함께 미세플라스틱의 형태 및 크기를 분석하는 영상분석장치;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. The present invention relates to a microplastic detection device that can detect and analyze microplastics of various sizes present in the fluid within a microfluidic chip in real time, regardless of transparency, based on optical technology. The optical technology according to the present invention The microplastic detection device based on the microfluidic chip includes a microfluidic chip having a microchannel, which is a space for movement of fluid containing microplastics; An optical imaging device that observes microplastics contained in the fluid by focusing on one point of the microchannel; An imaging device provided on one side of the optical imaging device to capture an image observed by the optical imaging device; And an image analysis device that analyzes the image captured by the imaging device, counts the number of microplastics included in the image, and analyzes the shape and size of the microplastics.

Description

광학기술을 기반으로 하는 미세플라스틱 검출장치{Apparatus for detecting microplastics based on Differential Interference Contrast microscope system}Microplastics detection device based on optical technology {Apparatus for detecting microplastics based on Differential Interference Contrast microscope system}

본 발명은 광학기술을 기반으로 하는 미세플라스틱 검출장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 광학기술을 기반으로 미세유체칩(microfluidic chip) 내에서 유체에 존재하는 다양한 크기의 미세플라스틱을 투명도에 상관없이 실시간으로 검출, 분석할 수 있는 미세플라스틱 검출장치에 관한 것이다. The present invention relates to a microplastic detection device based on optical technology. More specifically, based on optical technology, microplastics of various sizes present in the fluid within a microfluidic chip are detected in real time regardless of transparency. This relates to a microplastic detection device that can detect and analyze microplastics.

수계로 방출된 플라스틱은 물리적, 화학적 요인에 의해 작은 조각으로 부서지게 되는데, 일반적으로 5mm 이하 크기의 플라스틱을 미세플라스틱으로 칭한다. Plastics released into the water system are broken into small pieces by physical and chemical factors. Generally, plastics less than 5 mm in size are called microplastics.

미세플라스틱은 매체 간 물질이동 및 축적으로 인해 분포범위와 영향발생경로가 매우 광범위한 오염물질이며, 환경, 생체, 인체에 미치는 영향에 대해 우려가 확산되고 있다. 미세플라스틱은 잔류유기오염물질(persistent organic pollutants(POPs))을 흡착하며 이동하는데, 특히 미세플라스틱 입자의 크기가 작아질수록 동일부피대비 표면적이 매우 커지기 때문에, 이러한 흡착 현상이 가속화된다. 따라서, 상대적으로 작은 크기의 미세플라스틱 입자가 세포막을 통과할 가능성이 높아지므로 신경계나 면역계에 심각한 영향을 주는 등 인체에 높은 유해성을 띠게 된다. Microplastics are pollutants with a very wide distribution range and impact path due to material movement and accumulation between media, and concerns are growing about their impact on the environment, living organisms, and the human body. Microplastics move by adsorbing persistent organic pollutants (POPs). In particular, as the size of microplastic particles decreases, the surface area increases significantly compared to the same volume, so this adsorption phenomenon accelerates. Therefore, the possibility of relatively small-sized microplastic particles passing through cell membranes increases, which poses a high risk of harm to the human body, including serious effects on the nervous and immune systems.

수계에서 이동되는 미세플라스틱은 자외선에 의한 광분해와 부식, 물리 화학적 풍화작용에 의해 5 mm 이하 또는 이보다 작은 초미세 플라스틱으로 부서진다. 특히, 수계의 미세플라스틱은 기존 유색의 미세플라스틱도 투명하게 퇴색되면서 투명한 특징을 가지는 것이 지배적인데, 미세플라스틱의 투명도 또는 반투명도 특성과 다양한 모양과 사이즈의 분포로 인해 초 미세플라스틱의 검출은 더욱더 어렵다. Microplastics transported in the water system are broken into ultrafine plastics less than 5 mm or smaller due to photolysis, corrosion, and physical and chemical weathering caused by ultraviolet rays. In particular, microplastics in water are predominantly transparent, with existing colored microplastics fading to transparency. However, detection of ultrafine plastics is even more difficult due to the transparency or translucency characteristics of microplastics and their distribution in various shapes and sizes. .

미세플라스틱 검출 문제를 해결하기 위해 광학현미경법(optical microscope)과 분광분석법(spectroscopic), 열분해분석법 (thermo-analytical) 등이 사용되고 있다. 분광분석법은 성분 분석이 가능하지만, 측정 가능한 미세플라스틱 입자 크기에 한계가 존재한다(퓨리에변환적외선 분광기(FT-IR)는 20㎛ 이상, 라만분광은 1㎛ 이상). 열분해를 이용한 가스크로마토그래피/질량분석법(Py-GC/MS)은 미세플라스틱의 크기에 제한되지 않지만, 파괴분석법이라는 점과 긴 분석 시간, 0.5mg의 제한된 시료량이 요구되는 단점이 있다. To solve the problem of detecting microplastics, optical microscope, spectroscopic, and thermo-analytical methods are used. Spectroscopic analysis is capable of analyzing components, but there is a limit to the size of microplastic particles that can be measured (4ier transform infrared spectroscopy (FT-IR) is more than 20㎛, Raman spectroscopy is more than 1㎛). Gas chromatography/mass spectrometry (Py-GC/MS) using pyrolysis is not limited to the size of microplastics, but has the disadvantage of being a destructive analysis method, long analysis time, and requiring a limited sample amount of 0.5 mg.

광학현미경법은 미세플라스틱 검출에 있어 분석 시간이 빠르고 저렴한 비용으로 인해 가장 직관적인 방법이지만 수중환경에서의 미세플라스틱은 농도가 낮고 굴절률이 상대적으로 작기 때문에 투명한 미세플라스틱을 감지하는데 어려움이 있다. Optical microscopy is the most intuitive method for detecting microplastics due to its fast analysis time and low cost, but it has difficulty detecting transparent microplastics because the concentration of microplastics in the aquatic environment is low and the refractive index is relatively small.

이 밖에, 한국등록특허 제2296894호는 전기식 집진기, 광학적 입자계수기, 총유기물분석기 및 질량분석기의 조합을 통해 수중에 존재하는 미세플라스틱을 실시간 분석할 수 있음을 제시하고 있고, 한국등록특허 제2247677호는 시료관에 광을 조사하고 출사되는 형광신호를 수집하여 시료 내 미세플라스틱을 검출하고, 설정된 산출방식을 통해 미세플라스틱을 계수하는 기술을 제시하고 있다. 그러나, 상기 2개 특허에 개시된 기술은 장치구성이 복잡한 문제점, 형광처리와 같은 전처리가 요구되는 문제점이 있다. In addition, Korean Patent No. 2296894 suggests that microplastics present in water can be analyzed in real time through a combination of an electric dust collector, optical particle counter, total organic matter analyzer, and mass spectrometer, and Korean Patent No. 2247677 presents a technology to detect microplastics in the sample by irradiating light into the sample tube and collecting the emitted fluorescence signals, and to count microplastics through a set calculation method. However, the technologies disclosed in the above two patents have problems in that the device configuration is complicated and pretreatment such as fluorescence treatment is required.

또한, Eui-Sang Yu et al, Nanoscale terahertz monitoring on multi-phase dynamic assembly of nanoparticles under aqueous environment, Adv. Sci, 2021. 8.(비특허문헌 1)에는 수직나노갭전극을 통해 가해지는 전극량에 따라 각기 다른 사이즈의 초미세플라스틱을 포집과 함께 테라헤르츠 신호변화를 통해 초미세플라스틱을 검출하는 기술이 제시되어 있으나, 포집 후의 측정만 가능하며 실시간으로 측정이 어렵다는 단점이 있다. 또한, 테라헤르츠 장비는 일반적으로 부피가 매우 커 이동형 장치로 구현이 매우 어려워 적용이 어렵다는 단점이 있다.Additionally, Eui-Sang Yu et al , Nanoscale terahertz monitoring on multi-phase dynamic assembly of nanoparticles under aqueous environment, Adv. Sci , August 2021 (Non-Patent Document 1), a technology for detecting ultrafine plastics through terahertz signal changes while capturing ultrafine plastics of different sizes depending on the amount of electrode applied through vertical nanogap electrodes. Although it is presented, it has the disadvantage that it can only be measured after collection and that it is difficult to measure in real time. In addition, terahertz equipment has the disadvantage of being difficult to apply because it is generally very bulky and very difficult to implement as a portable device.

한국등록특허공보 제2296894호(2021. 9. 1. 공고)Korean Patent Publication No. 2296894 (announced on September 1, 2021) 한국등록특허공보 제2247677호(2021. 5. 3. 공고)Korean Patent Publication No. 2247677 (announced on May 3, 2021)

Eui-Sang Yu et al, Nanoscale terahertz monitoring on multi-phase dynamic assembly of nanoparticles under aqueous environment, Adv. Sci, 2021. 8. Eui-Sang Yu et al, Nanoscale terahertz monitoring on multi-phase dynamic assembly of nanoparticles under aqueous environment, Adv. Sci, 2021. 8.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 광학기술을 기반으로 미세유체칩(microfluidic chip) 내에서 유체에 존재하는 다양한 크기의 미세플라스틱을 투명도에 상관없이 실시간으로 검출, 분석할 수 있는 미세플라스틱 검출장치를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention was developed to solve the above problems. Based on optical technology, microplastics of various sizes present in the fluid can be detected and analyzed in real time, regardless of transparency, within a microfluidic chip. The purpose is to provide a microplastic detection device.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 광학기술을 기반으로 하는 미세플라스틱 검출장치는 미세플라스틱이 포함된 유체의 이동 공간인 미세채널을 구비하는 미세유체칩; 미세채널의 일 지점에 초점에 맞추어 유체에 포함되어 있는 미세플라스틱을 관찰하는 광학이미징 장치; 광학이미징 장치의 일측에 구비되어 관찰된 이미지를 촬상하는 촬상장치; 및 촬상장치에 의해 촬상된 이미지를 분석하여, 해당 이미지에 포함되어 있는 미세플라스틱의 개수를 계수함과 함께 미세플라스틱의 형태 및 크기를 분석하는 영상분석장치;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. A microplastic detection device based on optical technology according to the present invention to achieve the above object includes a microfluidic chip having a microchannel, which is a space for movement of fluid containing microplastics; An optical imaging device that observes microplastics contained in the fluid by focusing on one point of the microchannel; An imaging device provided on one side of the optical imaging device to capture the observed image; And an image analysis device that analyzes the image captured by the imaging device, counts the number of microplastics included in the image, and analyzes the shape and size of the microplastics.

광학이미징 장치의 광원과 편광기 사이에 특정 범위의 파장을 갖는 빛을 통과시키는 대역필터가 배치된다. 상기 대역필터의 파장대는 20∼30nm 반치전폭(FWHM)을 가질 수 있다. A bandpass filter that allows light with a specific range of wavelength to pass is placed between the light source and the polarizer of the optical imaging device. The wavelength band of the bandpass filter may have a full width at half maximum (FWHM) of 20 to 30 nm.

광학이미징 장치의 2차 편광기(2nd polarizer)와 촬상장치 사이에 배율증가시스템이 배치되며, 상기 배율증가시스템은 광학이미징 장치가 미세채널에 대한 초점을 유지한 상태에서 2차 편광기를 통과한 빔의 이미지를 확대시키는 역할을 한다. A magnification increasing system is disposed between the secondary polarizer of the optical imaging device and the imaging device, and the magnification increasing system increases the intensity of the beam that has passed through the secondary polarizer while the optical imaging device maintains focus on the microchannel. It serves to enlarge the image.

광학이미징 장치의 대물렌즈는 미세유체칩의 아래에 배치되어 미세유체칩의 미세채널에 초점을 맞추도록 배치된다. The objective lens of the optical imaging device is placed below the microfluidic chip and is arranged to focus on the microchannel of the microfluidic chip.

상기 광학이미징 장치는, 광원과 대역필터 사이에 배치되어 광원의 상이 대물렌즈의 후초점면에 결상되도록 하는 쾰러조명시스템과, 쾰러조명시스템과 편광기 사이에 배치되어 특정 범위의 파장을 갖는 빛을 통과시키는 대역필터와, 어느 한 방향의 편광성분만 통과시키고 다른 성분은 흡수 혹은 반사시키며, 비편광된 광원을 편광된 빛으로 전환시키는 선형 편광기와, 대물렌즈의 후초점면에 배치되며, 선형 편광기에 의해 선형 편광된 빔을 두개의 직교하는 빔으로 나눠 독립적으로 진행하는 빔을 만들며, 시료에서 반사된 빔이 다시 합쳐져 간섭되도록 하는 편광 프리즘과, 편광 프리즘에서 재결합된 빔에 대해서만 통과시키는 역할을 하는 2차 편광기와, 광학이미징 장치가 미세채널에 대한 초점을 유지한 상태에서 2차 편광기를 통과한 빔의 이미지를 확대시키는 배율증가시스템을 포함하여 구성된다. The optical imaging device includes a Koehler illumination system disposed between a light source and a band-pass filter to form an image of the light source on the back focal plane of the objective lens, and a Koehler illumination system disposed between the Koehler illumination system and a polarizer to allow light having a specific range of wavelength to pass through. A band-pass filter that passes only the polarized light component in one direction and absorbs or reflects the other components, and a linear polarizer that converts the non-polarized light source into polarized light, is placed on the back focal plane of the objective lens, and is placed on the linear polarizer. A polarizing prism divides the linearly polarized beam into two orthogonal beams to create independently proceeding beams. A polarizing prism causes the beams reflected from the sample to recombine and interfere with each other, and a polarizing prism that allows only the recombined beam from the polarizing prism to pass through. It consists of a secondary polarizer and a magnification increasing system that magnifies the image of the beam passing through the secondary polarizer while the optical imaging device maintains focus on the microchannel.

상기 미세유체칩은 투명유리판 상에 유로기판이 적층된 구조를 이루며, 유로기판의 일부가 파여진 형태로 유로기판 내부에 미세채널이 구비되며, 미세채널의 양단에 각각 유체유입구, 유체유출구가 구비되며, 유체유입구를 통해 검출대상물인 미세플라스틱이 포함된 유체가 공급되고, 광학이미징 장치에 의해 관찰이 완료된 유체는 미세채널을 통과하여 유체유출구를 통해 배출된다.The microfluidic chip has a structure in which a channel substrate is stacked on a transparent glass plate, and a part of the channel substrate is hollowed out, and a micro channel is provided inside the channel substrate, and a fluid inlet and a fluid outlet are provided at both ends of the micro channel, respectively. A fluid containing microplastics, a detection target, is supplied through the fluid inlet, and the fluid that has been observed by the optical imaging device passes through the microchannel and is discharged through the fluid outlet.

본 발명에 따른 광학기술을 기반으로 하는 미세플라스틱 검출장치는 다음과 같은 효과가 있다. The microplastic detection device based on the optical technology according to the present invention has the following effects.

광학이미징 장치와 미세유체칩의 조합을 통해 수계에 존재하는 다양한 크기의 미세플라스틱을 미세플라스틱의 투명도와 상관없이 실시간 검출 및 분석할 수 있다. 또한, 미세플라스틱 관찰을 위한 시료에 대한 형광처리 등이 불필요하다. Through the combination of an optical imaging device and a microfluidic chip, microplastics of various sizes existing in the water system can be detected and analyzed in real time, regardless of the transparency of the microplastics. In addition, there is no need for fluorescence treatment of samples to observe microplastics.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학기술을 기반으로 하는 미세플라스틱 검출장치의 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학이미징 장치의 구성도.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세유체칩의 구성도.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학이미징 장치 및 촬상장치를 통해 촬상한 이미지.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 광학기술을 기반으로 하는 미세플라스틱 검출장치의 사진.
1 is a schematic diagram of a microplastic detection device based on optical technology according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a configuration diagram of an optical imaging device according to an embodiment of the present invention.
3A and 3B are configuration diagrams of a microfluidic chip according to an embodiment of the present invention.
4 and 5 are images captured using an optical imaging device and an imaging device according to an embodiment of the present invention.
Figure 6 is a photograph of a microplastic detection device based on optical technology manufactured according to an embodiment of the present invention.

본 발명은 수중의 존재하는 다양한 크기의 미세플라스틱을 미세플라스틱의 투명도에 상관없이 실시간으로 검출할 수 있는 기술을 제시한다. 이를 위해, 본 발명은 광학기술을 기반으로 미세플라스틱 포집 및 검출장치로 미세유체칩을 채용하며, 다양한 크기 및 투명도의 미세플라스틱 검출을 위한 최적화 조건을 제시한다. The present invention presents a technology that can detect microplastics of various sizes in water in real time, regardless of the transparency of the microplastics. To this end, the present invention adopts a microfluidic chip as a microplastic collection and detection device based on optical technology, and presents optimized conditions for detecting microplastics of various sizes and transparency.

앞서, '발명의 배경이 되는 기술'에서 언급한 바와 같이, 미세플라스틱 검출을 위해 검출대상 미세플라스틱의 크기에 따라 분석기기를 달리 적용해야하고, 열 분해 분석법은 파괴 분석방법임에 따라 저농도일 경우, 미세플라스틱에 대한 정량적 계수 측정이 가능하지 않다. As previously mentioned in 'Technology behind the invention', in order to detect microplastics, different analysis devices must be applied depending on the size of the microplastics to be detected, and the thermal decomposition analysis method is a destructive analysis method, so when the concentration is low , quantitative coefficient measurements for microplastics are not possible.

본 발명에서 채용하는 광학기술은 편광기와 편광 프리즘을 이용하여 빛의 간섭을 인위적으로 발생시켜 검출대상물의 대비(contrast)을 극대화함으로써 검출대상물의 형태, 구조, 크기 등을 관찰할 수 있는 현미경으로서, 검출표본의 투명도와 상관없이, 표본에 별도의 조작(labeling) 없이 표본의 외형을 입체적으로 시각화 가능한 광학기술이다. 통상의 광학기반 현미경은 투명한 표본은 측정이 불가능하며, 투명한 표본을 측정하기 위해서는 형광염색과 같은 라벨링(labeling)이 요구되나, 본 발명에서는 이러한 형광염색 등이 불필요하다. 참고로, 미세플라스틱의 투명도는 굴절율 및 흡광도에 의해 결정된다. 진공과의 굴절률 차이로 물과 굴절율이 같으면 미세플라스틱의 투명도가 높아지고, 미세플라스틱의 색상에 따른 흡광도에 의해서도 미세플라스틱의 투명도가 결정된다. The optical technology employed in the present invention is a microscope that can observe the shape, structure, size, etc. of the detection object by maximizing the contrast of the detection object by artificially generating light interference using a polarizer and a polarizing prism. It is an optical technology that allows three-dimensional visualization of the specimen's appearance without any additional manipulation (labeling) of the specimen, regardless of the transparency of the detected specimen. A typical optical-based microscope cannot measure transparent specimens, and labeling such as fluorescent staining is required to measure transparent specimens. However, in the present invention, such fluorescent dyeing is unnecessary. For reference, the transparency of microplastics is determined by the refractive index and absorbance. Due to the difference in refractive index with that of vacuum, if the refractive index is the same as that of water, the transparency of microplastics increases, and the transparency of microplastics is also determined by the absorbance according to the color of the microplastics.

이러한 본 발명의 광학기술은 비 형광 나노입자 이미지를 얻을 수 있고, 투명도에 상관없이 굴절률이 작은 나노-서브 마이크론 사이즈의 플라스틱 움직임을 보다 정확하게 관찰하는 것이 가능하다고 볼 수 있다. 또한, 광학이미징 장치를 통해 촬상된 이미지를 분석함으로써 유체에 존재하는 미세플라스틱의 개수를 확인할 수 있어 수중에 존재하는 미세플라스틱에 대한 정량적 분석이 가능하다. The optical technology of the present invention can obtain images of non-fluorescent nanoparticles, and it can be seen that it is possible to more accurately observe the movement of plastic in the nano-submicron size with a small refractive index, regardless of transparency. In addition, by analyzing images captured through an optical imaging device, the number of microplastics present in the fluid can be confirmed, making quantitative analysis of microplastics present in water possible.

광학이미징 장치를 통해 수중에 존재하는 다양한 크기와 투명도를 갖는 미세플라스틱에 대한 형태적 관찰 및 정량적 관찰을 위해서는 광학이미징 장치의 최적화가 요구된다. 본 발명에 따른 광학이미징 장치는 파장의 굴절각 차이로 인해 발생되는 색수차를 줄임과 함께 광량을 일정 수준으로 유지시키기 위해 대역필터(bandpass filter)를 적용하며, 나아가 나노미터크기의 초미세플라스틱 검출을 위해 특정 파장대의 대역필터를 적용한다. Optimization of optical imaging devices is required for morphological and quantitative observation of microplastics of various sizes and transparency existing in water through optical imaging devices. The optical imaging device according to the present invention applies a bandpass filter to reduce chromatic aberration caused by differences in the refraction angle of the wavelength and maintain the amount of light at a certain level, and further to detect nanometer-sized ultrafine plastics. Apply a band filter for a specific wavelength band.

또한, 다양한 크기 및 투명도의 미세플라스틱 관찰을 위해 배율증가시스템이 적용된다. 대물렌즈의 배율을 조절하여 다양한 크기 및 투명도의 미세플라스틱 관찰에 대응할 수 있으나, 대물렌즈의 배율이 증가되면 표본에 대한 초점을 맞추기가 매우 힘들다. 반면, 광학이미징 장치의 2차 편광기(2nd polarizer)와 촬상장치 사이에 배율증가시스템을 적용하면 표본에 대한 초점을 유지하면서 나노미터크기의 초미세플라스틱에 대해서도 검출이 가능하게 된다. Additionally, a magnification increase system is applied to observe microplastics of various sizes and transparency. By adjusting the magnification of the objective lens, it is possible to observe microplastics of various sizes and transparency, but as the magnification of the objective lens increases, it is very difficult to focus on the specimen. On the other hand, if a magnification increase system is applied between the 2nd polarizer of the optical imaging device and the imaging device, detection of nanometer-sized ultrafine plastics is possible while maintaining focus on the specimen.

이 밖에, 미세유체칩의 미세채널에 대한 용이한 관찰을 위해 대물렌즈를 미세유체칩의 아래에 배치(inverted type)하는 광학이미징 장치의 조합도 필요하다. In addition, for easy observation of the microchannels of the microfluidic chip, a combination of an optical imaging device that places an objective lens under the microfluidic chip (inverted type) is also required.

상술한 바와 같은 광학이미징 장치의 최적화 이외에, 본 발명은 광학이미징 장치에 의한 미세플라스틱의 형태적 관찰 및 정량적 관찰이 실시간 진행되도록 하기 위해 미세유체칩 및 유체이송장치를 적용한다. In addition to optimizing the optical imaging device as described above, the present invention applies a microfluidic chip and a fluid transfer device to enable morphological and quantitative observation of microplastics in real time by an optical imaging device.

미세유체칩은 미세플라스틱이 포함된 유체가 이동되는 미세채널을 구비한 장치이며, 미세채널의 일 지점에 광학이미징 장치의 초점이 맞춰져 미세채널을 이동하는 유체에 포함되어 있는 미세플라스틱의 검출이 가능하게 된다. 미세채널을 이동하는 유체를 실시간 관찰함으로써 미세플라스틱의 유무, 미세플라스틱의 형태적 및 정량적 관찰이 가능하다. 유체에 포함되어 있는 미세플라스틱에 대한 정확한 형태적 및 정량적 관찰을 위해 미세유체칩에 구비된 미세채널은 유체저항을 고려하여 설계된다. A microfluidic chip is a device equipped with a microchannel through which fluid containing microplastics moves, and the optical imaging device focuses on a point in the microchannel, enabling the detection of microplastics contained in the fluid moving through the microchannel. I do it. By observing the fluid moving through the microchannel in real time, it is possible to observe the presence or absence of microplastics, and the morphological and quantitative observation of microplastics. For accurate morphological and quantitative observation of microplastics contained in fluid, microchannels provided in the microfluidic chip are designed taking fluid resistance into consideration.

유체이송장치는 미세유체칩의 미세채널에 미세플라스틱이 포함된 유체를 공급하는 장치로서, 압력펌프 및 유량센서로 구성되고, 압력펌프와 유량센서를 통해 미세유체칩에 공급되는 유체의 이송속도를 제어할 수 있다. The fluid transfer device is a device that supplies fluid containing microplastics to the microchannels of the microfluidic chip. It consists of a pressure pump and a flow sensor, and controls the transfer speed of the fluid supplied to the microfluidic chip through the pressure pump and flow sensor. You can control it.

이와 같이, 본 발명에 따르면 광학기술을 기반으로 미세유체칩 내에서 유체에 존재하는 다양한 크기 및 투명도의 정도를 갖는 미세플라스틱에 대한 형태적 관찰 및 정량적 관찰이 가능하며, 이를 위해 본 발명은 광학이미징 장치, 미세유체칩의 미세채널, 유체이송장치를 최적화하는 구성을 제시한다. As such, according to the present invention, morphological and quantitative observation of microplastics of various sizes and degrees of transparency present in the fluid within a microfluidic chip is possible based on optical technology, and for this purpose, the present invention uses optical imaging. We present a configuration that optimizes the device, the microchannel of the microfluidic chip, and the fluid transfer device.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 광학기술을 기반으로 하는 미세플라스틱 검출장치에 대해 상세히 설명하기로 한다. Hereinafter, a microplastic detection device based on optical technology according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광학기술을 기반으로 하는 미세플라스틱 검출장치는 광학이미징 장치(100), 미세유체칩(200), 유체이송장치(300), 촬상장치(10) 및 영상분석장치(20)를 포함하여 이루어진다. Referring to Figure 1, a microplastic detection device based on optical technology according to an embodiment of the present invention includes an optical imaging device 100, a microfluidic chip 200, a fluid transfer device 300, and an imaging device 10. ) and an image analysis device (20).

광학이미징 장치(100)는 시료에 대한 염색 등의 전처리 없이 콘트라스트(contrast)를 향상시켜 시각화하는 것으로서, 미세유체칩(200)에 구비된 미세채널(230)의 일 지점에 초점을 맞추어 미세채널(230)을 이동하는 유체를 관찰하여 유체 내에 포함되어 있는 미세플라스틱을 검출하는 장치이다. 미세유체칩(200)은 미세플라스틱이 포함된 유체가 이동되는 공간을 제공하며 광학이미징 장치(100)의 대물렌즈(117) 위에 배치된다. 유체이송장치(300)는 미세유체칩(200)의 미세채널(230)에 미세플라스틱이 포함된 유체를 공급하는 장치이며, 촬상장치(10)는 광학이미징 장치(100)의 후단에 배치되어 광학이미징 장치(100)에 의해 관찰된 이미지를 촬상하는 장치이다. 또한, 영상분석장치(20)는 촬상장치(10)에 의해 촬상된 이미지를 분석하여 해당 이미지 내에 존재하는 미세플라스틱을 계수함과 함께 미세플라스틱의 크기 및 형태를 분석하는 역할을 한다. The optical imaging device 100 visualizes the sample by improving contrast without pretreatment such as staining, and focuses on one point of the microchannel 230 provided in the microfluidic chip 200 to visualize the microchannel ( 230) is a device that detects microplastics contained in the fluid by observing the moving fluid. The microfluidic chip 200 provides a space in which fluid containing microplastics moves and is placed on the objective lens 117 of the optical imaging device 100. The fluid transfer device 300 is a device that supplies fluid containing microplastics to the microchannel 230 of the microfluidic chip 200, and the imaging device 10 is disposed at the rear of the optical imaging device 100 to provide optical It is a device that captures the image observed by the imaging device 100. In addition, the image analysis device 20 analyzes the image captured by the imaging device 10, counts the microplastics present in the image, and analyzes the size and shape of the microplastics.

상기 각 장치의 상세 구성을 살펴보면 다음과 같다. The detailed configuration of each device above is as follows.

먼저, 광학이미징 장치(100)는 도 2에 도시한 바와 같이 광원(111), 쾰러조명시스템(112), 대역필터(113), 1차 편광기(114), 편광 프리즘(116), 대물렌즈(117), 2차 편광기(119) 및 배율증가시스템(120)을 포함하여 구성된다. First, as shown in FIG. 2, the optical imaging device 100 includes a light source 111, a Köhler illumination system 112, a band filter 113, a primary polarizer 114, a polarizing prism 116, and an objective lens ( 117), a secondary polarizer 119, and a magnification increasing system 120.

상기 광원(111)은, 광학적 분석을 위한 빛의 원천으로서, 분석 방법에 따라 X-선, 자외선, 가시광선, 적외선 등 특정한 파장 영역의 빛을 제공하는 장치이다. 본 발명에서는 광학이미징 장치(100)를 통해 가시광선 영역에서의 간섭을 측정하므로, 백색광을 제공하는 할로겐 램프 및 단색광의 LED를 광원(111)으로 사용할 수 있다. 본 발명의 실험예에서는 250W의 할로겐 램프를 사용하였다. The light source 111 is a source of light for optical analysis and is a device that provides light in a specific wavelength range, such as X-rays, ultraviolet rays, visible rays, and infrared rays, depending on the analysis method. In the present invention, since interference in the visible light region is measured through the optical imaging device 100, a halogen lamp providing white light and a monochromatic LED can be used as the light source 111. In the experimental example of the present invention, a 250W halogen lamp was used.

상기 쾰러조명시스템(Kohler illumination system)(112)은, 현미경 시료의 조명법 중 하나이며, 쾰러조명시스템(112)를 적용하면 광원(111)의 상이 대물렌즈(117)의 후초점면에 결상하여 시료에서 빛이 평행광선이 되어 조명은 부분적으로 코히런트(coherent)하게 된다. 이러한 쾰러조명시스템(112)으로 시료의 상에 광원(111)의 상이 맺히는 것을 방지할 수 있으며 시료 전체에 균일한 조명 조사가 가능하다. 일 실시예로, 이중복합렌즈(achromatic doublet lens)와 조리개(diaphragm)의 조합으로 쾰러조명시스템(112)을 구성할 수 있다. 참고로, 본 명세서에서 '시료'는 미세플라스틱이 포함된 유체를 의미한다. The Kohler illumination system 112 is one of the illumination methods for microscope samples. When the Kohler illumination system 112 is applied, the image of the light source 111 is imaged on the back focal plane of the objective lens 117 to illuminate the sample. Since the light becomes parallel rays, the illumination becomes partially coherent. This Köhler lighting system 112 can prevent the image of the light source 111 from forming on the sample and enables uniform illumination of the entire sample. In one embodiment, the Köhler lighting system 112 can be configured with a combination of an achromatic doublet lens and a diaphragm. For reference, in this specification, ‘sample’ refers to a fluid containing microplastics.

상기 대역필터(Bandpass filter)(113)는, 특정 범위 내의 파장만을 통과시키고 상기 범위 외의 파장은 차단 또는 감소시키는 장치를 일컫는다. 본 발명에서는 특히 광학적 대역통과필터(optical bandpass filter)를 지칭하며, 파장마다 굴절각의 차이로 인해 생기는 색수차를 줄이면서, 한편으로 촬상장치(10)에서 측정 가능한 광량을 유지하기 위해 대역필터(113)가 적용된다. The bandpass filter 113 refers to a device that passes only wavelengths within a specific range and blocks or reduces wavelengths outside the range. In the present invention, it specifically refers to an optical bandpass filter, and the bandpass filter 113 is used to reduce chromatic aberration caused by differences in refraction angles for each wavelength while maintaining the amount of light that can be measured by the imaging device 10. applies.

현미경의 분해능은 식별할 수 있는 최소의 간격을 의미하는 것으로서, 빛의 회절에 의해 결정되며, 아래의 식 1을 통해 설명될 수 있다. 아래의 식 1에 따르면 대물렌즈(117)가 동일하더라도 빛의 파장이 짧을수록 분해능이 향상됨을 알 수 있으며, 이와 같은 이유로 특정 범위 내의 파장만을 통과시키는 대역필터(113)를 적용하는 것이다. The resolution of a microscope refers to the minimum distance that can be distinguished, is determined by the diffraction of light, and can be explained through Equation 1 below. According to Equation 1 below, even if the objective lens 117 is the same, the shorter the wavelength of light, the better the resolution. For this reason, the bandpass filter 113 that passes only wavelengths within a specific range is applied.

(식 1) (Equation 1)

(d는 최소 분해 가능 거리, n은 굴절률, θ는 렌즈에서 시료에 조사되는 각도의 1/2, λ는 빛의 파장)(d is the minimum resolvable distance, n is the refractive index, θ is 1/2 of the angle illuminated from the lens to the sample, and λ is the wavelength of light)

본 발명에서, 색수차를 줄이고 광량을 유지시킴과 함께 광학적 해상도를 높여 수백 나노미터 크기의 미세플라스틱을 검출하기 위해 20∼30nm 반치전폭(FWHM)을 갖는 400∼600nm 파장대의 대역필터(113)를 적용할 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 550nm 파장대의 20nm 반치전폭을 갖는 대역필터(113)를 적용하였으며, 도 4는 광학이미징 장치(100) 및 촬상장치(10)를 통해 촬상한 이미지로서, 10㎛ 크기의 미세플라스틱은 물론 200nm 크기의 초미세플라스틱에 대한 검출이 가능함을 나타내고 있다. In the present invention, a band filter 113 in the 400-600 nm wavelength range with a full width at half maximum (FWHM) of 20-30 nm is applied to reduce chromatic aberration, maintain light intensity, and increase optical resolution to detect microplastics of hundreds of nanometers in size. can do. In the embodiment of the present invention, a bandpass filter 113 with a full width at half maximum of 20 nm in the 550 nm wavelength band was applied, and Figure 4 is an image captured through the optical imaging device 100 and the imaging device 10, showing a fine 10㎛ size. It shows that detection is possible for not only plastic but also ultra-fine plastics with a size of 200 nm.

상기 1차 편광기(1st polarizer)(114)는 어느 한 방향의 편광성분만 통과시키고 다른 성분은 흡수 혹은 반사시키는 광학소자이며, 비편광된(unpolarized) 광원(111)을 편광된 빛으로 전환시킬 수 있다. 본 발명에서는 선형 편광기(liner polarizer)를 적용한다. The first polarizer 114 is an optical element that passes only polarized light in one direction and absorbs or reflects other components, and can convert the unpolarized light source 111 into polarized light. there is. In the present invention, a linear polarizer is applied.

상기 편광 프리즘(Differential Interference Contrast prism)(116)은 편광된 빛을 조작하는 광학적 장치로 2개의 직각의 복굴절을 접합시켜 만든 편광 프리즘이며, 대물렌즈(117)의 후초점면(back focal plane)에 배치된다. 상기 편광 프리즘(116)은 1차 편광기(114)에 의해 선형 편광된 빔을 두개의 직교하는 빔으로 나눠 독립적으로 진행하는 빔을 만들며, 이후 시료(미세플라스틱이 포함된 유체)에서 반사된 빔이 다시 합쳐져 간섭되도록 하는 역할을 한다. The polarizing prism (Differential Interference Contrast prism) 116 is an optical device that manipulates polarized light. It is a polarizing prism made by joining two orthogonal birefringents, and is placed on the back focal plane of the objective lens 117. It is placed. The polarizing prism 116 divides the linearly polarized beam by the primary polarizer 114 into two orthogonal beams to create independently traveling beams, and then the beam reflected from the sample (fluid containing microplastics) is divided into two orthogonal beams. It plays a role in recombining and interfering with each other.

통상의 광학이미징 장치(100) 시스템에서 시료의 상부와 하부에 각각 편광 프리즘(116)을 배치하는 구성을 채용하는데, 본 발명은 1개의 편광 프리즘(116)을 대물렌즈(117) 아래에 배치하며, 1개의 편광 프리즘(116)을 조절하여 두 빔에 바이어스(bias)가 인가되도록 함으로써 광대비(contrast)를 향상시킬 수 있다. 광학이미징 장치(100)에 의해 관찰되는 미체유체칩은 바닥이 평평한 구조로 되어 있어 회색으로 표현되고, 미세유체칩(200)의 미세채널(230)을 이동하는 미세플라스틱은 구형의 입체감 있는 형태로 어두운 회색에서 밝은 회색으로 표현된다. A typical optical imaging device 100 system employs a configuration in which polarizing prisms 116 are placed on the top and bottom of the sample, but in the present invention, one polarizing prism 116 is placed under the objective lens 117. , the contrast can be improved by adjusting one polarizing prism 116 to apply a bias to the two beams. The microfluidic chip observed by the optical imaging device 100 has a flat bottom structure and is expressed in gray, and the microplastic moving through the microchannel 230 of the microfluidic chip 200 has a spherical three-dimensional shape. Expressed from dark gray to light gray.

편광 프리즘(116)의 위치를 고정시키기 위해 대물렌즈(117)가 아닌 미세유체칩(200)을 z축으로 조절하여 초점을 맞추는 것이 바람직하며, 다양한 크기의 미세플라스틱이 유체에 존재하는 경우 가장 작은 크기의 미세플라스틱에 초점을 맞추어야 한다. In order to fix the position of the polarizing prism 116, it is desirable to focus by adjusting the microfluidic chip 200, rather than the objective lens 117, to the z-axis. If microplastics of various sizes are present in the fluid, the smallest The focus should be on small size microplastics.

상기 2차 편광기(2nd polarizer)(119)는 1차 편광기(114)와 같은 특성의 광학소자로 DIC프리즘에서 재결합된 빔에 대해서만 통과시키는 역할을 하며, 2차 편광기(119)를 통과한 빔은 촬상장치(10)에 의해 촬상된다. The secondary polarizer (119) is an optical element with the same characteristics as the primary polarizer (114) and serves to pass only the beam recombined in the DIC prism, and the beam that passes through the secondary polarizer (119) is The image is captured by the imaging device 10.

상기 배율증가시스템(120)은 대물렌즈(117) 이후로 배율을 확대하여 분석하고자 하는 시료를 검출부에서 적절한 크기로 관측할 수 있도록 시료의 상을 확대시키는 광학 시스템이다. The magnification increasing system 120 is an optical system that enlarges the magnification after the objective lens 117 to enlarge the image of the sample to be analyzed so that the sample to be analyzed can be observed at an appropriate size at the detection unit.

미세플라스틱을 검출하고 계수하기 위해서는 시료의 상은 촬상장치(10)에서 대략 100배 정도 확대되어야 한다. 일반적인 현미경시스템에서 이미지의 상을 확대시키는 방법으로 대물렌즈(117)의 배율을 증가시킴과 함께 촬상장치(10)에서 이미지를 확대시키는 방법을 채택하고 있는데, 이를 본 발명에 적용하여 대물렌즈(117)의 배율을 증가시키면 관측시야(Field of view)가 줄어들어 대면적의 미세유체칩(200)을 측정하기 어렵다. 여기서, 관측시야는 광학계에서 촬상장치(10)가 측정할 수 있는 범위를 말한다. In order to detect and count microplastics, the image of the sample must be magnified approximately 100 times in the imaging device 10. In a general microscope system, a method of enlarging the image is adopted by increasing the magnification of the objective lens 117 and enlarging the image in the imaging device 10. By applying this to the present invention, the objective lens 117 ), the field of view decreases, making it difficult to measure the large-area microfluidic chip 200. Here, the observation field of view refers to the range that the imaging device 10 can measure in the optical system.

또한, 대물렌즈(117)의 배율이 클수록 작동거리(working distance)와 피사계 심도(Depth of field)가 줄어든다. 작동거리는 대물렌즈(117) 앞단부터 초점면까지의 거리로 미세유체칩(200)의 미세채널(230)을 이동하는 유체에 포함되어 있는 미세플라스틱을 검출하기 위해선 작동거리가 길수록 좋다. 또한, 피사계 심도는 촬상장치(10)에서 초점이 맞는 것으로 인식되는 범위로서, 피사계 심도가 작을 경우 다양한 크기를 갖는 미세플라스틱을 한 번에 검출하기 힘들다. 따라서, 대물렌즈(117)의 배율만으로 상을 확대시키는데 한계가 있는 바, 본 발명은 촬상장치(10) 전단에 배율증가시스템(120)을 적용하며, 이를 통해 해상도 저하가 야기되는 촬상장치(10)에서의 지나친 이미지 확대가 필요치 않게 된다. Additionally, as the magnification of the objective lens 117 increases, the working distance and depth of field decrease. The working distance is the distance from the front end of the objective lens 117 to the focal plane. In order to detect microplastics contained in the fluid moving through the microchannel 230 of the microfluidic chip 200, the longer the working distance, the better. Additionally, the depth of field is a range recognized as being in focus by the imaging device 10, and when the depth of field is small, it is difficult to detect microplastics of various sizes at once. Therefore, there is a limit to enlarging the image only with the magnification of the objective lens 117, so the present invention applies the magnification increasing system 120 to the front of the imaging device 10, which causes a decrease in resolution. ), there is no need for excessive image enlargement.

본 발명의 일 실시예로, 배율증가시스템(120)은 2개의 이중복합렌즈(achromatic doublet lens)와 줌렌즈 시스템으로 구성할 수 있으며, 이 경우 20X, 40X 대물렌즈(117)로 시료를 측정했을 때 각각 100, 200배 확대된 상을 얻을 수 있다. In one embodiment of the present invention, the magnification increasing system 120 may be composed of two achromatic doublet lenses and a zoom lens system. In this case, when measuring the sample with the 20X and 40X objective lenses 117, You can obtain images magnified 100 and 200 times, respectively.

한편, 본 발명의 광학이미징 장치(100)는 대물렌즈(117)를 측정대상물 아래에 배치하는 도립식(inverted type)으로 조합한다. 측정대상물인 미세유체칩(200)을 대물렌즈(117)의 위에 배치하는 이유는 미체유체칩의 기구적 구조 때문이다. 미세유체칩(200)은 후술하는 바와 같이, 고분자 재질의 기판 하단측에 미세채널(230)이 구비되는 바, 미체유체칩을 대물렌즈(117)의 위에 배치하는 것이 미세채널(230)을 이동하는 유체를 관찰하는데 유리하다. Meanwhile, the optical imaging device 100 of the present invention combines the objective lens 117 into an inverted type that is placed below the measurement object. The reason why the microfluidic chip 200, which is a measurement object, is placed on the objective lens 117 is because of the mechanical structure of the microfluidic chip. As will be described later, the microfluidic chip 200 is provided with a microchannel 230 at the bottom of the polymer substrate, and placing the microfluidic chip on the objective lens 117 moves the microchannel 230. It is advantageous for observing fluids.

다음으로, 미세유체칩(200)에 대해 설명하기로 한다. Next, the microfluidic chip 200 will be described.

도 3a 및 도 3b를 참조하면 미세유체칩(200)은 투명유리판(210) 상에 유로기판(220)이 적층된 구조를 이루며, 유로기판(220)의 일부가 파여진 형태로 유로기판(220) 내부에 미세채널(230)이 구비된다. 유로기판(220) 내부에 형성된 미세채널(230)은 미세플라스틱이 포함된 유체가 이동되는 공간이다. 광학이미징 장치(100)의 대물렌즈(117)가 투명유리판(210)의 아래에 배치되어 미세채널(230)에 초점이 맞춰지는 바, 관찰의 용이를 위해 미세채널(230)의 하부면은 투명유리판(210)의 상면과 동일 평면 상에 위치하도록 제작하는 것이 바람직하다. 미세채널(230)의 양단에는 각각 유체유입구(231), 유체유출구(232)가 구비되며, 유체유입구(231)와 유체유출구(232)는 수직방향으로 형성시키고, 미세채널(230)은 수평방향으로 형성시킬 수 있다. 유체유입구(231)를 통해 검출대상물인 미세플라스틱이 포함된 유체가 공급되고, 광학이미징 장치(100)에 의해 관찰이 완료된 유체는 미세채널(230)을 통과하여 유체유출구(232)를 통해 배출된다. 유체유출구(232)를 통해 배출된 미세플라스틱이 포함된 유체는 최종적으로 삼방밸브(30)를 통해 분리, 제거된다. Referring to FIGS. 3A and 3B, the microfluidic chip 200 has a structure in which a channel substrate 220 is stacked on a transparent glass plate 210, and a portion of the channel substrate 220 is hollowed out. ) A microchannel 230 is provided inside. The microchannel 230 formed inside the channel substrate 220 is a space through which fluid containing microplastics moves. The objective lens 117 of the optical imaging device 100 is placed below the transparent glass plate 210 and focuses on the microchannel 230. The lower surface of the microchannel 230 is transparent for ease of observation. It is desirable to manufacture it so that it is located on the same plane as the upper surface of the glass plate 210. A fluid inlet 231 and a fluid outlet 232 are provided at both ends of the microchannel 230, respectively. The fluid inlet 231 and the fluid outlet 232 are formed in a vertical direction, and the microchannel 230 is formed in a horizontal direction. can be formed. Fluid containing microplastics, a detection object, is supplied through the fluid inlet 231, and the fluid that has been observed by the optical imaging device 100 passes through the microchannel 230 and is discharged through the fluid outlet 232. . The fluid containing microplastics discharged through the fluid outlet 232 is finally separated and removed through the three-way valve 30.

미세채널(230)을 구비하는 유로기판(220)은 PDMS와 같은 고분자 재질로 이루어지는데, 포토리소그래피 및 식각 공정을 통해 실리콘 기판을 미세채널(230), 유체유입구(231), 유체유출구(232)에 대응되도록 양각 패터닝하고, 양각 패터닝된 실리콘 기판 상에 고분자 용액 예를 들어, PDMS 용액을 부어서 미세채널(230), 유체유입구(231), 유체유출구(232)가 구비된 유로기판(220)을 제작할 수 있다. 유로기판(220)의 제작 후, 미세채널(230), 유체유입구(231), 유체유출구(232)의 표면에 필요에 따라 친수성 또는 소수성 처리를 할 수 있다. The channel substrate 220 having the microchannel 230 is made of a polymer material such as PDMS, and the silicon substrate is formed into the microchannel 230, the fluid inlet 231, and the fluid outlet 232 through photolithography and etching processes. By pouring a polymer solution, for example, a PDMS solution, onto the embossed patterned silicon substrate, a channel substrate 220 equipped with a microchannel 230, a fluid inlet 231, and a fluid outlet 232 is formed. It can be produced. After manufacturing the flow path substrate 220, the surfaces of the microchannel 230, fluid inlet 231, and fluid outlet 232 may be treated to be hydrophilic or hydrophobic as needed.

한편, 광학이미징 장치(100)의 초점이 미세채널(230)에 맞추어지는 바, 대물렌즈(117)의 초점이 원활하게 맞추어지도록 아래의 식 2에 나타낸 유체저항식을 고려하여 미세채널(230)의 높이와 폭의 비율은 1:2 내지 1:3로 설정하는 것이 바람직하다. 미세채널(230)의 높이와 폭의 비율이 1:2 보다 작으면 대물렌즈(117)의 초점을 맞추는데 어려움이 있으며, 1:3 보다 크면 유체의 흐름이 너무 느려지는 단점이 있다. 도 5는 직경 50㎛로 설계된 미세채널(230)을 이동하는 2㎛ 크기의 미세플라스틱(도 5의 (a) 참조), 1㎛ 크기의 미세플라스틱(도 5의 (b) 참조) 및 200nm 크기의 미세플라스틱(도 5의 (c) 참조)을 광학이미징 장치(100) 및 촬상장치(10)를 통해 촬상한 이미지이다. 참고로, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 광학기술을 기반으로 하는 미세플라스틱 검출장치의 사진이다. Meanwhile, since the focus of the optical imaging device 100 is set on the micro channel 230, the micro channel 230 is adjusted by considering the fluid resistance equation shown in Equation 2 below so that the objective lens 117 can be smoothly focused. The ratio of height and width is preferably set to 1:2 to 1:3. If the ratio of the height and width of the micro channel 230 is less than 1:2, it is difficult to focus the objective lens 117, and if it is greater than 1:3, the flow of fluid becomes too slow. Figure 5 shows microplastics of 2㎛ size (see (a) of Figure 5), microplastics of 1㎛ (see (b) of Figure 5), and 200nm sizes moving through a microchannel 230 designed with a diameter of 50㎛. This is an image of microplastics (see (c) in FIG. 5) captured through the optical imaging device 100 and the imaging device 10. For reference, Figure 6 is a photograph of a microplastic detection device based on optical technology manufactured according to an embodiment of the present invention.

(식 2) (Equation 2)

(R : 유체저항, h : 미세채널(230)의 높이, w : 미세채널(230)의 폭, L : 미세채널(230)의 길이, η : 유체의 점도)(R: fluid resistance, h: height of micro channel 230, w: width of micro channel 230, L: length of micro channel 230, η : viscosity of fluid)

다음으로, 상기 유체이송장치(300)는 압력펌프(310), 유량센서(320) 에어컴프레서(330) 및 유체유로(340)를 포함하여 구성된다. 에어컴프레서(330)는 미세플라스틱이 포함된 유체를 저장하며, 미세플라스틱이 포함된 유체는 유체유로(340)를 거쳐 미세유체칩(200)의 유체유입구(231)를 통해 미세채널(230)로 공급된다. Next, the fluid transfer device 300 includes a pressure pump 310, a flow sensor 320, an air compressor 330, and a fluid passage 340. The air compressor 330 stores fluid containing microplastics, and the fluid containing microplastics passes through the fluid passage 340 and flows into the microchannel 230 through the fluid inlet 231 of the microfluidic chip 200. supplied.

미세유체칩(200)에 공급되는 유체는 압력펌프(310) 및 유량센서(320)에 의해 그 속도가 제어된다. 압력펌프(310)는 미세유체칩(200)에 압력을 인가하는 것으로서, 압력펌프(310)의 동작을 제어하여 유체의 이송속도를 제어할 수 있다. 유량센서(320)는 유체유로(340)로 이송되는 유체의 유량을 측정하는 역할을 하며, 유량센서(320)에 의해 측정된 유체의 이송속도를 바탕으로 압력펌프(310)의 동작이 제어된다. The speed of the fluid supplied to the microfluidic chip 200 is controlled by the pressure pump 310 and the flow sensor 320. The pressure pump 310 applies pressure to the microfluidic chip 200, and the transfer speed of the fluid can be controlled by controlling the operation of the pressure pump 310. The flow sensor 320 serves to measure the flow rate of the fluid transferred to the fluid flow path 340, and the operation of the pressure pump 310 is controlled based on the transfer speed of the fluid measured by the flow sensor 320. .

다음으로, 상기 촬상장치(10)는 광학이미징 장치(100)의 일측에 구비되어 광학이미징 장치(100)의 배율증가시스템(120)을 통과한 빔을 촬상하는 장치이며, 일 실시예로 CCD, CMOS, CIS등의 이미지 센서, 디지털 단렌즈 반사식 사진기 등으로 구성할 수 있다. Next, the imaging device 10 is a device provided on one side of the optical imaging device 100 to capture a beam that has passed through the magnification increasing system 120 of the optical imaging device 100. In one embodiment, it is a CCD, It can be composed of image sensors such as CMOS and CIS, and digital single-lens reflex cameras.

상기 영상분석장치(20)는 촬상장치(10)에 의해 촬상된 이미지를 분석하여 해당 이미지 내에 포함되어 있는 미세플라스틱의 개수를 계수함과 함께 미세플라스틱의 형태 및 크기를 분석하는 역할을 한다. The image analysis device 20 analyzes the image captured by the imaging device 10, counts the number of microplastics contained in the image, and analyzes the shape and size of the microplastics.

이상 본 발명의 일 실시예에 따른 광학기술을 기반으로 하는 미세플라스틱 검출장치에 대해 설명하였는데, 상기의 구성 이외에 전처리장치(400)가 더 추가될 수 있다. The microplastic detection device based on optical technology according to an embodiment of the present invention has been described above. In addition to the above configuration, a preprocessing device 400 may be added.

상기 전처리장치(400)는 분석대상물인 유체에 대해 전처리를 실시하여 미세플라스틱 이외에 유체에 포함되어 있는 이물질을 제거하는 장치이다. 유체에 포함되어 있는 이물질을 제거하기 위해 상기 전처리장치(400)는 유기오염물질 제거장치, 분리막 중 어느 하나 또는 이들의 조합으로 구성할 수 있다. 유기오염물질 제거장치는 화학적 공정 또는 생물학적 공정을 통해 유체에 포함되어 있는 유기오염물질을 제거하며, 분리막은 농축과정과 밀도차이를 통해 이물질과 미세플라스틱을 분리하는 역할을 한다. The pretreatment device 400 is a device that performs pretreatment on the fluid, which is an analysis target, to remove foreign substances contained in the fluid other than microplastics. To remove foreign substances contained in the fluid, the pretreatment device 400 may be configured as either an organic contaminant removal device or a separation membrane, or a combination thereof. The organic pollutant removal device removes organic pollutants contained in the fluid through a chemical or biological process, and the separation membrane serves to separate foreign substances and microplastics through a concentration process and density difference.

10 : 촬상장치 20 : 영상분석장치
30 : 삼방밸브 100 : 광학이미징 장치
111 : 광원 112 : 쾰러조명시스템
113 : 대역필터 114 : 1차 편광기
115 : 빔 스플리터 116 : 편광 프리즘
117 : 대물렌즈 118 : 반사경
119 : 2차 편광기 120 : 배열증가시스템
200 : 미세유체칩 210 : 투명유리판
220 : 유로기판 230 : 미세채널
231 : 유체유입구 232 : 유체유출구
300 : 유체이송장치 310 : 압력펌프
320 : 유량센서 330 : 에어컴프레서
340 : 유체유로 400 : 전처리장치
10: imaging device 20: image analysis device
30: three-way valve 100: optical imaging device
111: Light source 112: Köhler lighting system
113: band filter 114: primary polarizer
115: beam splitter 116: polarizing prism
117: objective lens 118: reflector
119: secondary polarizer 120: array increase system
200: Microfluidic chip 210: Transparent glass plate
220: Euro board 230: Micro channel
231: fluid inlet 232: fluid outlet
300: Fluid transfer device 310: Pressure pump
320: flow sensor 330: air compressor
340: Fluid flow path 400: Pretreatment device

Claims (7)

미세플라스틱이 포함된 유체의 이동 공간인 미세채널을 구비하는 미세유체칩;
미세채널의 일 지점에 초점에 맞추어 유체에 포함되어 있는 미세플라스틱을 미세플라스틱의 투명도와 상관없이 관찰할 수 있는 광학이미징 장치;
관찰된 이미지를 촬상하는 촬상장치; 및
촬상장치에 의해 촬상된 이미지를 분석하여, 해당 이미지에 포함되어 있는 미세플라스틱의 개수를 계수함과 함께 미세플라스틱의 형태 및 크기를 분석하는 영상분석장치;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 광학기술을 기반으로 하는 미세플라스틱 검출장치.
A microfluidic chip having a microchannel, which is a space for movement of fluid containing microplastics;
An optical imaging device that can observe microplastics contained in a fluid by focusing on one point of the microchannel, regardless of the transparency of the microplastics;
An imaging device that captures the observed image; and
An optical technology comprising an image analysis device that analyzes the image captured by an imaging device, counts the number of microplastics included in the image, and analyzes the shape and size of the microplastics. Based on microplastic detection device.
제 1 항에 있어서, 광학이미징 장치의 광원과 1차 편광기 사이에 특정 범위의 파장을 갖는 빛을 통과시키는 대역필터가 배치되는 것을 특징으로 하는 광학기술을 기반으로 하는 미세플라스틱 검출장치.
The microplastic detection device based on optical technology according to claim 1, wherein a band-pass filter is disposed between the light source of the optical imaging device and the primary polarizer to pass light with a wavelength in a specific range.
제 2 항에 있어서, 상기 대역필터의 파장대는 20∼30nm 반치전폭(FWHM)을 갖는 것을 특징으로 하는 광학기술을 기반으로 하는 미세플라스틱 검출장치.
The microplastic detection device according to claim 2, wherein the wavelength range of the bandpass filter has a full width at half maximum (FWHM) of 20 to 30 nm.
제 1 항에 있어서, 광학이미징 장치의 2차 편광기와 촬상장치 사이에 배율증가시스템이 배치되며, 상기 배율증가시스템은 광학이미징 장치가 미세채널에 대한 초점을 유지한 상태에서 2차 편광기를 통과한 빔의 이미지를 확대시키는 역할을 하는 것을 특징으로 하는 광학기술을 기반으로 하는 미세플라스틱 검출장치.
The method of claim 1, wherein a magnification increasing system is disposed between the secondary polarizer of the optical imaging device and the imaging device, and the magnification increasing system is configured to allow the optical imaging device to maintain focus on the microchannel while passing through the secondary polarizer. A microplastic detection device based on optical technology that serves to enlarge the image of the beam.
제 1 항에 있어서, 광학이미징 장치의 대물렌즈는 미세유체칩의 아래에 배치되어 미세유체칩의 미세채널에 초점을 맞추도록 배치되는 것을 특징으로 하는 광학기술을 기반으로 하는 미세플라스틱 검출장치.
The microplastic detection device according to claim 1, wherein the objective lens of the optical imaging device is disposed below the microfluidic chip to focus on the microchannel of the microfluidic chip.
제 1 항에 있어서, 상기 광학이미징 장치는,
광원과 대역필터 사이에 배치되어 광원의 상이 대물렌즈의 후초점면에 결상되도록 하는 쾰러조명시스템과,
쾰러조명시스템과 1차 편광기 사이에 배치되어 특정 범위의 파장을 갖는 빛을 통과시키는 대역필터와,
어느 한 방향의 편광성분만 통과시키고 다른 성분은 흡수 혹은 반사시키며, 비편광된 광원을 편광된 빛으로 전환시키는 선형의 1차 편광기와,
대물렌즈의 후초점면에 배치되며, 1차 편광기에 의해 선형 편광된 빔을 두개의 직교하는 빔으로 나눠 독립적으로 진행하는 빔을 만들며, 시료에서 반사된 빔이 다시 합쳐져 간섭되도록 하는 편광 프리즘과,
DIC프리즘에서 재결합된 빔에 대해서만 통과시키는 역할을 하는 2차 편광기와,
광학이미징 장치는 미세채널에 대한 초점을 유지한 상태에서 2차 편광기를 통과한 빔의 이미지를 확대시키는 배율증가시스템을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 광학기술을 기반으로 하는 미세플라스틱 검출장치.
The optical imaging device of claim 1,
A Köhler illumination system disposed between the light source and the bandpass filter to form an image of the light source on the back focal plane of the objective lens,
A band-pass filter disposed between the Köhler lighting system and the primary polarizer to pass light with a specific range of wavelengths,
A linear primary polarizer that allows only polarization components in one direction to pass through, absorbs or reflects other components, and converts a non-polarized light source into polarized light;
A polarizing prism is placed on the back focal plane of the objective lens and divides the linearly polarized beam by the primary polarizer into two orthogonal beams to create independently traveling beams, and causes the beams reflected from the sample to combine again and interfere,
A secondary polarizer that passes only the beam recombined in the DIC prism,
The optical imaging device is a microplastic detection device based on optical technology, characterized in that it includes a magnification increasing system that enlarges the image of the beam that has passed through the secondary polarizer while maintaining focus on the microchannel.
제 1 항에 있어서, 상기 미세유체칩은 투명유리판 상에 유로기판이 적층된 구조를 이루며, 유로기판의 일부가 파여진 형태로 유로기판 내부에 미세채널이 구비되며,
미세채널의 양단에 각각 유체유입구, 유체유출구가 구비되며, 유체유입구를 통해 검출대상물인 미세플라스틱이 포함된 유체가 공급되고, 광학이미징 장치에 의해 관찰이 완료된 유체는 미세채널을 통과하여 유체유출구를 통해 배출되는 것을 특징으로 하는 광학기술을 기반으로 하는 미세플라스틱 검출장치.
The method of claim 1, wherein the microfluidic chip has a structure in which flow path boards are stacked on a transparent glass plate, and a part of the flow path boards is hollowed out and a micro channel is provided inside the flow path boards,
A fluid inlet and a fluid outlet are provided at both ends of the microchannel, respectively. Fluid containing microplastics, a detection target, is supplied through the fluid inlet, and the fluid that has been observed by the optical imaging device passes through the microchannel and through the fluid outlet. A microplastic detection device based on optical technology, which is characterized by discharge through microplastics.
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