WO2012102448A1 - 미생물 용해 시스템과 atp 발광을 이용한 기상 중 부유 미생물 실시간 측정장치 및 측정방법 - Google Patents
미생물 용해 시스템과 atp 발광을 이용한 기상 중 부유 미생물 실시간 측정장치 및 측정방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 미생물 용해 시스템과 ATP발광을 이용한 기상 중 부유 미생물 실시간 측정장치 및 측정방법에 관한 것으로, 부유 미생물이 포집되며, ATP 반응 발광제가 도포되는 입자분류장치; 미생물을 용해하여 ATP(adenosine triphosphate)를 추출하는 미생물 용해 시스템; 및 미생물 용해 시스템에 의해 추출된 ATP가 입자분류장치에 도포된 ATP 반응 발광제와 반응하여 발생된 빛을 검출하도록 하는 수광소자;를 포함하여 구성되는 것을 기술적 요지로 하여, ATP 생물 발광 측정 방법을 이용하여 기상 중에 존재하는 부유미생물을 신속하게 측정하면서도 일련의 수작업을 거칠 필요가 없어 실시간 자동 측정이 가능할 뿐만 아니라, 안전화, 저가화를 함께 구현 가능한 기상 중 부유 미생물 실시간 측정장치 및 측정방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 기상 중에 존재하는 부유 미생물을 측정하는 장치 및 방법에 관한 것으로, ATP 생물 발광 측정법을 이용하여 기상 중에 존재하는 부유미생물을 신속하게 측정할 수 있도록 하는 기상 중 부유 미생물 실시간 측정장치 및 측정방법에 관한 것이다.
최근 조류 인플루엔자, 신종 인플루엔자 등이 이슈화되면서 공기감염 문제가 대두되고 있으며, 이에 따라 공기 중 부유 미생물 측정(airborne microbial measurement)이 보다 중요하게 다루어지고, 바이오센서 시장도 이에 맞추어 큰 폭으로 성장하고 있다.
기존에 공기 중 부유 미생물 측정하는 방법에는, 시료기체 중에 부유하고 있는 생물입자를 증식에 적합한 고체 또는 액체 표면에 포집하고 일정기간 적당 온습도 환경 하에서 배양한 후, 표면에 출현한 콜로니수에서 포집 미생물수를 구하는 배양법과, 염색 후 형광현미경을 이용하는 염색법 등이 있다.
근래에는 ATP(아데노신삼인산, adenosine triphosphate)와 루시페린(luciferin)/루시페라아제(luciferase)가 반응하여 빛을 내는 원리를 이용하는 ATP 생물 발광법에 의해, ATP 소거처리, ATP 추출, 발광량 측정까지 소요되는 일련의 과정을 30분 정도로 축소하여 신속한 작업이 가능하게 되었다.
그러나, 상기와 같은 방법들에 의하면 기상 중에 존재하는 부유미생물을 실시간 측정할 수 없으며, 별도의 샘플링 과정과 전처리 등을 포함한 일련의 수작업이 요구되므로, 이러한 방법들을 이용하여서는 기상 중 부유미생물 자동 측정 시스템을 개발할 수가 없다는 한계가 있었다.
실제로 기존의 바이오센서들은 공기 중 부유 미생물을 측정 시 별도의 샘플링 과정 후 적용하여야 하므로 최소 20분에서 최대 2시간의 소요시간을 요구하며, 별도의 샘플링 없이 측정하는 장비로 미국 TSI사의 UV-APS가 있으나 한화로 약 2억원 이상의 고가이므로, 전문적인 연구기관 중에서도 일부만 사용할 수 있을 뿐 현실적으로 보급화는 불가능한 실정이다.
그리고, ATP 생물 발광법을 적용하기 위해서는, 기본적으로 ATP 추출제가 필요하나, 기상 부유미생물 측정 시스템에 이를 이용할 경우, 인체에 독성 등의 악영향을 미칠 수 있으며, 자동 시스템에 적용하기 위해서는 ATP 추출제를 지속적으로 공급해주어야 하나, 현재 상용되고 있는 ATP 추출제를 지속적으로 공급하기에는 비용 부담이 크다는 문제점이 있다.
상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명은, ATP 생물 발광 측정 방법을 이용하여 기상 중에 존재하는 부유미생물을 신속하게 측정하면서도 일련의 수작업을 거칠 필요가 없어 실시간 자동 측정이 가능할 뿐만 아니라, 안전화, 저가화를 함께 구현 가능한 기상 중 부유 미생물 실시간 측정장치 및 측정방법에 관한 것이다.
상술한 바와 같은 목적 달성을 위한 본 발명은, 부유 미생물이 포집되며, ATP 반응 발광제가 도포되는 입자분류장치(10);와, 미생물을 용해하여 ATP(adenosine triphosphate)를 추출하는 미생물 용해 시스템(20); 및 상기 미생물 용해 시스템(20)에 의해 추출된 ATP가 상기 입자분류장치(10)에 도포된 ATP 반응 발광제와 반응하여 발생된 빛을 검출하도록 하는 수광소자(30);를 포함하는 것을 특징으로 하는 기상 중 부유 미생물 실시간 측정장치인 것을 하나의 기술적 요지로 한다.
여기서, 상기 입자분류장치(10)는 전기집진기(electrostatic pricipitator), 관성충돌장치(inertial impactor), 사이클론(cyclone), 원심분리기(centrifuge) 중 어느 하나를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 부유 미생물은 상기 입자분류장치(10)에 구비된 포집판 또는 포집공간상에 포집될 수도 있으며, 상기 입자분류장치(10)의 포집판에 도포되거나 포집공간상에 수용된 액체에 포집될 수도 있다.
그리고, 상기 입자분류장치(10)는 상기 ATP 반응 발광제가 흡수된 상태로 설치되거나, 또는 상기 입자분류장치(10)에 상기 ATP 반응 발광제를 공급하는 ATP 반응 발광제 공급장치(11)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 ATP 반응 발광제는 루시페린(luciferin)으로 구성될 수 있다.
그리고, 상기 입자분류장치(10)는 1㎛ 입자에 대해 50% 이상의 포집효율을 가지는 것이 바람직할 수 있다.
또한, 상기 미생물 용해 시스템(20)은 미생물에 부착된 하전 이온간의 척력에 의해 미생물의 셀벽을 손상시키며 ATP를 추출하는 이온 발생기일 수 있다.
여기서, 상기 이온 발생기는 방전팁의 직경이 10㎛ 이하인 카본 브러시를 이용하는 오존 프리(ozone-free) 이온 발생기인 것이 바람직할 수 있다.
또한, 상기 미생물 용해 시스템(20)은 고전압의 방전에 의해 생성되는 고농도의 이온, 전자의 충돌에 의해 미생물의 셀벽을 손상시키며 ATP를 추출하는 플라즈마 방전기일 수 있다.
그리고, 상기 수광소자(30)는 400㎚이상 내지 700㎚이하의 파장대역을 수신하는 것이 가능한 감도를 가질 수 있다.
또한, 상기 수광소자(30)에서 출력되는 전기적 신호를 미생물 농도에 비례하는 생물발광값과의 상관 관계에 따라 상기 미생물의 농도 또는 오염정도를 구체적인 수치로 출력하는 미생물 농도 계산부(61)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 수광소자(30)에서 검출된 빛에 의해 추출된 미생물의 농도 또는 오염정도를 실시간으로 표시하는 디스플레이 장치(40)를 더 포함하여 구성될 수도 있다.
또한, 미생물의 농도 또는 오염정도가 설정값을 초과하는지 여부를 비교하는 연산부(62)와, 상기 미생물의 농도 또는 오염정도가 설정값을 초과하는 경우 공기청정장치와 환기장치와 같은 외부 공조장치(70) 또는 휴대 단말기와 같은 무선통신기(80)를 포함하는 외부 장치로 제어신호를 무선 송신하는 출력부(65)를 구비하는 무선 컨트롤러(64)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 수광소자(30)에서 검출된 빛에 의해 추출된 미생물의 농도 또는 오염정도에 대한 정보를 상기 무선통신기(80)로 무선 송신하는 통신부(63)를 구비하고, 상기 무선통신기(80)는 상기 통신부(63)의 신호를 무선 수신하는 수신부(81)와, 상기 수신부(81)의 신호를 상기 미생물의 농도 또는 오염정도에 관한 정보로 변환하여 해당 무선통신기(80)에서 표시하는 신호처리부(82)를 구비하도록 구성될 수도 있다.
또한, 대기를 상기 입자분류장치(10)측으로 강제 유동시켜 공압차를 생성하도록 설치되는 유동 발생수단(50)을 더 포함하여 구성될 수 있다.
한편, 본 발명은, ATP 반응 발광제가 흡수된 입자분류장치(10)에 기상 중 부유 미생물을 샘플링 시킴과 동시에, 지속적으로 가동중인 미생물 용해 시스템(20)에 의해 미생물을 용해시키며 상기 입자분류장치(10)에 포집된 미생물의 ATP(adenosine triphosphate)를 추출하여 상기 입자분류장치(10)의 ATP 반응 발광제와 ATP간의 발광반응을 실시간으로 유도하며, 수광소자(30)를 이용하여 미생물 농도를 측정하는 것을 특징으로 하는 미생물 용해 시스템과 ATP발광을 이용한 기상 중 부유 미생물 실시간 측정방법을 또 다른 기술적 요지로 한다.
또한, 본 발명은, 부유 미생물을 입자분류장치(10)에 포집하는 미생물 포집단계; 미생물 용해 시스템(20)을 가동하여 미생물을 용해시켜 ATP(adenosine triphosphate)를 추출하는 ATP 추출단계; 및 상기 ATP 추출단계에서 ATP가 추출됨과 동시에 상기 입자분류장치(10)에 존재하는 ATP 반응 발광제와 반응하여 발생된 빛을 수광소자(30)로 실시간 측정하는 실시간 검출단계;를 포함하는 미생물 용해 시스템과 ATP 발광을 이용한 기상 중 부유 미생물 실시간 측정방법을 또 하나의 기술적 요지로 한다.
여기서, 상기 실시간 검출단계에서 상기 수광소자(30)가 검출한 데이터를 미생물 농도로 변환하여 실시간으로 디스플레이하는 실시간 표시단계를 더 포함할 수 있다.
상술한 바와 같은 구성에 의한 본 발명은, ATP 반응 발광제가 흡수 또는 공급되는 입자분류장치에 기상 중 부유 미생물을 샘플링시킴과 동시에, 지속적으로 가동중인 미생물 용해 시스템에 의해 미생물을 용해시키며 입자분류장치에 걸린 미생물의 ATP를 추출함으로써, 입자분류장치의 ATP 반응 발광제와 ATP간의 발광반응을 실시간으로 유도한다는 효과가 있다.
미생물 용해시스템을 이용하여 ATP 생물 발광 측정법에 의해 기상 중에 존재하는 부유미생물을 5분 이내로 신속하게 측정할 수 있으면서도, 샘플링부터 ATP추출 및 생물 발광까지의 과정이 일련의 수작업 없이 자동으로 이루어지므로, 기상 중 부유 미생물의 실시간 자동 측정이 가능하다는 다른 효과가 있다.
또한, 이온 발생기, 플라즈마 방전기와 같이 반영구적으로 사용 가능한 장치를 미생물 용해 시스템에 적용함으로써, 기존에 미생물을 용해시키기 위해 lysis-buffer 등의 시약을 지속적으로 공급, 제어하는데 소요되던 고가의 비용, 관리, 유지의 어려움, 인체에 끼치는 독성의 염려 없이, 저렴한 비용으로 안전하게 사용 가능하며, 전기적 방법에 의해 간편하게 제어할 수 있다는 효과가 있다.
기존의 바이오센서는 고가일 뿐 아니라, 일련의 수작업이 수반되어야 함에 따라 인력, 비용의 부담이 컸으나, 본 발명에 의하면 기상 중 부유 미생물의 실시간 자동 측정, 저가화, 안정화를 구현하여, 부유 미생물 실시간 측정장치의 보편화, 보급화가 가능하도록 한다는 또 다른 효과가 있다.
이에 따라, 축사 및 식품 공장 등에서 광우병, 돼지 콜레라, 조류독감 또는 식품의 유해 미생물 번식을 간편하게 측정할 수 있게 되어, 공기감염에 의한 사회적, 경제적 손실을 효과적으로 방지할 수 있으며, 급격히 성장하고 있는 바이오센서 시장의 수요를 충당하여 바이오센서 보급화에 따른 인류 복지향상에 기여할 수 있다는 또 다른 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 미생물 용해 시스템과 ATP 발광을 이용한 기상 중 부유 미생물 실시간 측정장치의 제1실시예를 도시한 개념도.
도 2는 본 발명에 따른 미생물 용해 시스템과 ATP 발광을 이용한 기상 중 부유 미생물 실시간 측정장치의 제2실시예를 도시한 개념도.
도 3은 입자분류장치의 다양한 실시예를 도시한 개념도.
도 4는 가동 시간에 따른 기상 부유균 측정 결과를 도시한 그래프.
도 5는 본 발명에 따른 미생물 용해 시스템과 ATP 발광을 이용한 기상 중 부유 미생물 실시간 측정방법의 흐름도.
상기 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 미생물 용해 시스템과 ATP발광을 이용한 기상 중 부유 미생물 실시간 측정장치 및 측정방법에 대해 보다 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 미생물 용해 시스템과 ATP발광을 이용한 기상 중 부유 미생물 실시간 측정장치는, 도 1, 2에 도시된 바와 같이, 크게 입자분류장치(10), 미생물 용해 시스템(20), 수광소자(30)로 이루어지며, 상기 입자분류장치(10)에 부유 미생물을 샘플링함과 동시에 상기 미생물 용해 시스템(20)(이하 설명)이 지속적으로 미생물을 용해시켜 ATP(adenosine triphosphate)를 추출하여 생물 발광시키는 자동 측정 시스템에 관한 것이다.
도 1, 2상에서 상기 입자분류장치(10)는, 납작한 판형상으로 표시되어 있으나, 이는 상기 입자분류장치(10)와 상기 미생물 용해 시스템(20) 및 수광소자(30)간의 작용을 주요하게 표현하기 위해 포집판(이하 설명)에 해당되는 구성요소만을 개념적으로 도시한 것으로, 상기 입자분류장치(10)의 형상, 구조를 특정하게 한정하고자 하는 것이 아니며, 상기 입자분류장치(10)는 이하 설명되는 다양한 실시예로 적용가능하다.
상기 입자분류장치(10)는, 전기집진기(electrostatic pricipitator), 관성충돌장치(inertial impactor), 사이클론(cyclone), 원심분리기(centrifuge) 등과 같이, 공기 중의 입자를 고체 포집방법, 또는 액체 포집방법에 의해 포집할 수 있는 포집판 또는 포집공간을 가지는 집진장치 내지 필터시스템을 통칭한다.
전기집진기는, 직류고압전압에 의하여 방전극에 (-)전압(또는 (+)전압)을 인가시키면 코로나 방전이 발생하는데, 이때 발생되는 음(-)이온(또는 양(+)이온)은 가스 중의 더스트 입자와 대전되어, (+)전압(또는 (-)전압)이 인가되고 있는 집진극(포집판)으로 전기력에 의하여 이동되어 포집되는 정전기적인 원리를 이용하는 집진장치이다.
도 3의 (a)는 다양한 전기집진기 구조 중 가장 광범위하게 적용되고 있는 wire to plate type의 일례를 도시한 것으로, 충전선(charging wire)과 포집판(collecting plate) 사이에 전기장이 형성되며, 충전선과 포집판 사이를 통과하면서 하전된 입자는 포집판에 포집된다.
관성충돌장치는, 가속노즐(acceleration nozzle, impaction nozzle) 아래에 충돌판(impaction plate) 또는 수집관(receiving tube)(이하 '포집판'으로 통칭한다)이 설치된 구조를 가진다.
도 3의 (b)는 이러한 관성충돌장치의 일례를 도시한 것으로, 가속노즐 또는 분출구(jet)를 통과한 공기는 포집판에 의해 그 유동 방향을 90°전환하게 되며, 공기에 포함된 입자 중 일정 이상의 질량을 가지는 입자는 관성에 의해 유동 방향이 완전히 전환되지 않고 포집판에 충돌, 포집된다.
사이클론은, 유체 중의 고체 입자를 분리하거나 액체 방울을 기체와 분리하는 데에 광범위하게 사용되고 있는 원심력을 이용한 분리장치의 하나로서, 다양한 종류와 사양을 가지며, 도 3의 (c)는 이러한 사이클론의 일례를 도시한 것이다.
입자를 포함한 공기는 원형 사이클론 내부에 접선방향으로 유입된 후, 원통형의 내벽을 따라 돌며 선회 유동을 형성하게 되며, 이 선회 유동은 사이클론 하부의 콘(cone)영역까지 계속 유지되면서 입자들을 원심력에 의해 내벽측으로 밀어내며 유동으로부터 분리시키게 되고, 입자가 제거된 유동(공기)은 콘 하단부에서 상부로 상승하여 출구를 통해 배출되고, 분리된 입자들은 콘 내벽을 타고 하강하여 더스트 호퍼(dust hopper) 등(이하 '포집판'으로 통칭한다)에 집진된다.
원심분리기는 빠른 속도로 계속 회전시킬 때 생기는 지속적인 원심력을 응용한 장치로, 사이클론 또한 원심력을 이용한 분리장치이나, 사이클론과 비교해 고속회전하는 회전용기를 이용하여 공기중에 포함된 입자를 회전용기 외측벽측으로 분리시킬 수 있다.
전기집진기는 압력손실이 낮아 대용량 또는 고유량에 적용하기 적합하며, 나노사이즈(100㎚ 이하)의 미세입자에 대해서도 높은 집진효율을 가진다. 이에 대해, 관성충돌장치, 싸이클론 등은 간단한 구조를 가짐에 따라 원가 및 유지보수 비용이 적은 장점이 있다.
고체 포집방법은 시료공기를 고체의 입자층을 통과시켜 흡인하는 것 등에 의하여 흡착, 반응 등에 의하여 고체에 측정하고자 하는 물질을 포집하는 방법으로, 공기 중 부유 미생물을 상기 입자분류장치(10)에 구비된 포집판 또는 포집공간상에 포집시키는 과정에서 적용가능하다.
액체 포집방법은 시료공기를 액체에 통과시키거나 또는 액체의 표면과 접촉시킴으로써 용해, 반응, 침전, 현탁 등에 의하여 액체에 측정하고자 하는 물질을 포집하는 방법으로, 흡수액의 종류는 포집대상 물질에 따라 달라지게 된다.
상기 입자분류장치(10)의 포집판 또는 포집공간상에 액체를 도포하거나 수용하며, 상기 액체 포집방법을 적용하여 공기 중 부유 미생물을 포집할 수도 있다.
그 외, 상기 입자분류장치(10)를 이용해, 시료공기를 여과재에 통과시켜 여과재에 측정하고자 하는 물질을 포집하는 여과 포집방법, 시료공기를 냉각한 관 등에 접촉시켜 응축시킨 후에 측정하고자 하는 물질을 포집하는 냉각 응축 포집방법, 시료공기를 용해, 반응, 흡착시키지 않고 직접 포집포대, 포집병, 진공포집병, 주사통(syringe) 등에 포집하는 직접 포집방법, 분자확산의 원리를 이용하여 포집한 후에 분석하는 확산포집방법 등을 적용할 수도 있다.
대기 중에 부유되어 있는 미생물들은 상기 입자분류장치(10)를 통과하면서 상기 입자분류장치(10)에 포집되며, 미생물의 포집이 이루어지는 상기 입자분류장치(10)상에는 ATP 생물 발광에 필요한 ATP 반응 발광제가 흡수되어 있거나, ATP 반응 발광제가 지속적 또는 간헐적으로 공급된다.
상기 입자분류장치(10)에 ATP 반응 발광제가 존재하는 상태로 유지함에 있어서는, 도 1에 도시된 바와 같이, ATP 반응 발광제가 이미 도포 내지 흡수된 상태의 상기 입자분류장치(10)를 설치하거나, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 입자분류장치(10)측으로 ATP 반응 발광제를 필요량만큼 수시로 분사 내지 공급하는 ATP 반응 발광제 공급장치(11)를 상기 입자분류장치(10)와 별도로 구성할 수 있다.
일반적으로 눈에 보이는 꽃가루, 곰팡이, 미생물, 섬유분진 등은 100㎛ 이상의 입자크기를 가지고, 박테리아의 경우에서 0.1㎛ 이상 에서 100㎛ 사이의 크기를 가지므로, 상기 입자분류장치(10)는, 압력손실, 초기투자비, 유지관리비 등과 같은 포집효율의 적정성을 감안하여, 1㎛ 입자에 대해 50% 이상의 포집효율을 가지는 것을 선정하는 것이 바람직하다.
상기 ATP 반응 발광제 공급장치(11)는 상기 입자분류장치(10)측으로 액상의 ATP 반응 발광제를 공급할 수 있다면 특정한 구조, 형태로 한정되지 않으며, 공지의 액상 공급장치의 구성 중 사용 환경, 장치 사양과 같은 조건 등을 종합적으로 고려하여 보다 적당한 것을 적용하는 것이 바람직하므로, 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
상기 미생물 용해 시스템(20)은 이온, 전자의 전자기력, 항균 물질, 열에너지, 촉매 등을 이용해 상기 입자분류장치(10)에 포집된, 또는 상기 입자분류장치(10)측으로 유동중인 미생물을 용해하여 미생물 안에 있는 ATP(adenosine triphosphate), DNA, RNA 등을 추출하는 장치적 구성요소를 통칭하는 것으로, 여기서, 미생물을 용해한다는 것은 미생물을 녹여 액체상태로 만드는 것이 아니라, 미생물 하나를 다수의 요소로 분해하거나 미생물 하나에서 다수의 요소를 추출하는 것을 의미한다.
상기 미생물 용해 시스템(20)을 이온 발생기로 구성하는 경우, 이온 발생기에 구비되는 방전팁의 직경이 클수록 소비전력이 커지고, 소비전력이 높을 경우, 이온 뿐만 아니라 인체에 유해한 오존(ozone)까지 발생할 수 있으므로, 방전팁의 직경이 10㎛ 이하인 카본 브러시를 사용하는 오존 프리(ozone-free) 이온 발생기를 적용하는 것이 바람직하다.
방전팁의 직경이 10㎛ 이하인 카본 브러시를 사용하는 오존 프리(ozone-free) 이온 발생기에 의하면, 4W 이하의 낮은 소비전력을 가지게 되어 오존이 0.01 ppm 미만으로 발생하게 되므로, 사무실 공기관리 지침, 산업안전보건법 제27조 제1항의 0.06 ppm 이하의 오존 관리기준을 안정적으로 만족할 수 있다.
상기 미생물 용해 시스템(20)을 이온발생기로 구성하면 미생물에 부착된 하전 이온간의 척력에 의해 미생물의 셀벽을 손상시키며 ATP를 추출하게 되며, 플라즈마 방전기로 구성하면 고전압의 방전에 의해 생성되는 고농도의 이온, 전자의 충돌에 의해 미생물의 셀벽을 손상시키며 ATP를 추출하게 된다.
상기 미생물 용해 시스템(20)에 의해 추출된 ATP는, 미생물의 셀 외부로 노출됨과 동시에 상기 입자분류장치(10)에 있는 ATP 반응 발광제와 반응하여 빛을 발생시키게 되며, 빛을 전기로 변환하는 광 다이오드(PD), 애벌란시 포토 다이오드(APD) 등의 수광소자(30)는 ATP 생물 발광에 의해 발생된 빛을 검출하여 미생물의 농도 또는 오염 정도를 추출한다.
모든 생물은 유기물의 산화에서 생긴 에너지를 ATP라는 화합물 속에 일단 저장하였다가 필요에 따라 이를 가수분해시켜 그때 방출되는 에너지를 이용하여 운동을 하고 체온을 유지하게 되는데, 이러한 ATP는 생체전기를 발생시키기도 하고 생체발광(發光)을 일으키기도 한다.
수광소자는 소자에 흡수된 광자의 에너지를 측정할 수 있는 형태로 변환함으로써 광자 선속(線束)이나 광전력을 측정하는 소자로, 작동 파장의 고민감도, 빠른 응답속도, 최소 잡음이라는 장점을 지니고 있어 근적외선영역(0.8~1.6 μm)에서 작동하는 광섬유 통신체계에서 광신호를 검출하는 소자로 널리 쓰이고 있다.
특히, 수광소자 중 광전소자(photoelectric detectors)는, 소자에 흡수된 광자에 의해 소자를 이루는 물질 내에 전자(electron), 홀(hole)과 같은 운반체(carrier)가 발생되며, 이 운반체의 흐름에 의해 측정 가능한 전류가 발생되는, 즉, 광전효과(photoeffect)에 기반을 둔 소자로, 본 발명에 적용하기 적합하다.
전자파 중에 빛으로서 사람의 눈에 밝게 느껴지는 파장은 약 380nm에서 780nm의 범위이며, 단색광으로서는 파장이 짧은 것에서부터 청자 400~500nm,청 450~500nm, 녹 500~570nm, 황 570~590nm, 오렌지색 590~610nm, 적색 610~700nm로, 상기 수광소자(30)는, 400㎚이상 내지 700㎚이하의 파장대역을 수신 가능한 감도를 가진다.
대기 중 부유미생물을 상기 입자분류장치(10)에 포집함에 있어서는, 송풍기, 펌프와 같은 유동 발생수단(50)을 이용하여 상기 입자분류장치(10)를 기준으로 일측의 대기를 타측으로 강제 유동시키는 공압차를 생성하게 되며, 상기 미생물 용해 시스템(20), 수광소자(30)는, 대기가 상기 입자분류장치(10)까지의 유동되는 경로상에, 즉, 상기 입자분류장치(10)의 일측에 설치되고, 상기 유동 발생수단(50)은 상기 입자분류장치(10)의 타측에 설치된다.
미생물의 농도가 높을수록 추출되는 ATP의 양이 많아지고, 광도의 정도 또한 커지게 되며, 상기 수광소자(30)는 받아들인 빛을 전압, 전류, 주파수(frquency)와 같은 전기적 신호로 변환하여 출력하게 되며, 제어부에 구비된 미생물 농도 계산부(61)에서는 상기 수광소자(30)로부터 입력된 전기적 신호를 미생물 농도에 비례하는 생물발광값과의 상관 관계에 따라 미생물의 농도 또는 오염정도가 구체적인 수치로서 출력되도록 데이터화 또는 수식화한다.
상기 수광소자(30)에서 검출된 빛은 상기 미생물 농도 계산부(61)를 통해 수식화 또는 데이터화되는 신호처리과정을 거쳐 디스플레이 장치(40)를 통해 미생물의 농도 또는 오염 정도를 실시간으로 표시하게 된다.
미생물의 농도 또는 오염정도가 설정값을 초과하는지 여부를 비교하는 연산부(62)와, 상기 연산부(62)에서 비교연산한 결과 미생물의 농도 또는 오염정도가 설정값을 초과하는 경우 공기청정장치나 환기장치와 같은 외부 공조장치(70)로 제어신호를 무선 송신하는 통신부(63)와 연결된 출력부(65)를 구비하는 무선 컨트롤러(64)를 이용할 수도 있다.
상기 무선 컨트롤러(64)를 이용하면, 본 발명의 실시예에 따른 미생물 측정장치의 본체(입자분류장치(10), 미생물 용해 시스템(20), 수광소자(30) 포함)와, 서로 다른 공간상에 재실되는 등 서로 독립적으로 설치되는 공기청정장치나 환기장치 등을 상호 연계하여 운용할 수도 있다.
예를 들어, 미생물 측정장치의 본체가 설치된 공간상의 부유 미생물 농도가 지정 수치를 초과할 정도로 공기가 오염된 경우, 상기 무선 컨트롤러(64)를 이용해 자동으로 공기청정장치나 환기장치 등을 가동시킴으로써 공기청정도를 일정 수준 이상으로 유지할 수 있다.
또한, 상기 통신부(63)는 상기 수광소자(30)에서 검출된 빛에 의해 추출된 미생물의 농도 또는 오염정도에 대한 정보를 휴대 단말기와 같은 무선통신기(80)로 무선 송신할 수도 있다. 상기 무선통신기(80)는 상기 통신부(63)의 신호를 무선 수신하는 수신부(81)와, 상기 수신부(81)의 신호를 미생물의 농도 또는 오염정도에 관한 정보로 변환하여 표시하는 신호처리부(82)를 구비할 수 있다.
이에 따라 사용자 또는 관리자는 무선통신기(80)를 휴대하는 것에 의해, 부유 미생물의 오염 정도를 확인하고 싶을 때 직접 미생물 측정장치의 본체까지 이동할 필요없이 상기 무선통신기(80)를 이용해 공기청정도와 관련된 제반 정보를 확인할 수 있으며, 더 나아가 무선통신기(80)를 상기 통신부(63)를 통해 상기 무선 컨트롤러(64)에 원격으로 연결하여 무선으로 원격지에서 공기청정장치나 환기장치 등을 직접 가동시킬 수도 있다.
생물발광은 어떤 유기화합물이 효소의 작용으로 산화되면서 방출되는 에너지가 빛 에너지의 형태로 체외로 나오는 일종의 광화학반응으로, 발광물질인 루시페린은 ATP와 결합하여 루시페린-ATP의 복합물을 형성하면서 무기인산 H3PO4 두 분자를 생성한다. 여기서 루시페린은 환원형이어서 LH2와 같이 표기된다.(LH2+ATP → LH2-AMP+2H3PO4)
상기 반응에서 생긴 LH2-AMP는 산소와 반응하여 산화되면서 불안정한 에너지 상태에 있게 되므로, 이 불안정한 상태의 산화 산물은 곧 분해되어 산화형 루시페린과 AMP를 생성하면서 빛(hv)을 발생시키게 된다. 여기서 L은 산화형 루시페린, L-AMP*는 불안정한 에너지 상태의 루시페린-AMP복합물을 가리킨다.(LH2-AMP+1/2 O2 → L-AMP*+H2O)(L-AMP* → L+AMP+hv(빛에너지))
LH2-AMP가 산소(1/2 O2)와 반응하여 산화되는 과정은 루시페라아제(luciferase)라는 효소의 촉매작용에 의하여 이루어지므로, 생물발광은 루시페린 ·ATP ·루시페라아제 및 산소의 존재하에서 일어나며, 루시페린 한 분자의 산화에서 1광량자가 방출되는 것으로 계산되고 있다.
ATP 반응 발광제를 루시페린(luciferin)으로 구성하면, 상기와 같은 과정에 의해, 부유미생물을 5분 이내로 신속하게 측정할 수 있으며, 도 3에 도시된 그래프는, 도 1에 도시된 본 발명의 제1실시예를 구성한 후 시스템 가동 시간에 따른 기상 부유균 측정값의 변화를 표시한 것으로, 3분(180sec) 이내에 최대값의 광도가 측정되며, 이로부터 3분 이내의 측정 시간이 소요된다는 것을 확인할 수 있다.
도 3에 도시된 그래프의 실험에서는, 상기 미생물 용해 시스템(20)으로 오존 프리 이온 발생기를 사용하였으며, 공기유량 3 l/min, 온도 23℃, - ion 9×106 number/㎤, 바이오 에어로졸 농도 93000 CFU/㎥의 조건에서 실험하였으며, 광도의 단위는 RLU(relative luminescent unit)이다.
본 발명에 따른 미생물 용해 시스템과 ATP발광을 이용한 기상 중 부유 미생물 실시간 측정방법은, 상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 기상 중 부유 미생물 실시간 측정장치를 이용하여 미생물 농도를 실시간으로 자동 측정하는 방법에 관한 것이다.
루시페린(luciferin)이 흡수된 상기 입자분류장치(10)에 기상 중 부유 미생물을 샘플링 시킴과 동시에, 지속적으로 가동중인 미생물 용해 시스템(20)에 의해 미생물을 용해시키며 상기 입자분류장치(10)에 걸린 미생물의 ATP(adenosine triphosphate)를 추출하여, 상기 입자분류장치(10)의 루시페린과 ATP간의 발광반응을 실시간으로 유도하며, 수광소자(30)를 이용하여 미생물 농도를 측정한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 미생물 포집단계, ATP 추출단계, 실시간 검출단계, 실시간 표시단계를 순차적으로 거치게 되나, 5분 이내의 단시간에 걸쳐 전(全)공정이 이루어지게 되고, 각각의 단계가 각각의 구성요소상에서 지속적으로 운용됨에 따라 동시에 전(全)공정이 이루어지고 있는 것과 같은 효과를 가진다.
상기 미생물 포집단계에서는 부유 미생물을 상기 입자분류장치(10)에 포집하며, 상기 ATP 추출단계에서는 상기 미생물 용해 시스템(20)을 가동하여 상기 입자분류장치(10)에 포집된 미생물을 용해시켜 ATP(adenosine triphosphate)를 추출한다.
상기 실시간 검출단계에서는 상기 ATP 추출단계에서 ATP가 추출됨과 동시에 상기 입자분류장치(10)에 존재하는 루시페린과 반응하여 발생된 빛의 광도를 상기 수광소자(30)로 실시간 측정하며, 상기 실시간 표시단계에서는 상기 실시간 검출단계에서 상기 수광소자(30)가 검출한 데이터를 미생물 농도로 변환하여 실시간으로 디스플레이 한다.
상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 미생물 용해 시스템과 ATP발광을 이용한 기상 중 부유 미생물 실시간 측정장치 및 측정방법에 의하면, 루시페린이 흡수된 상기 입자분류장치(10)에 기상 중 부유 미생물을 샘플링 시킴과 동시에, 지속적으로 가동중인 상기 미생물 용해 시스템(20)에 의해 미생물을 용해시키며 상기 입자분류장치(10)에 걸린 미생물의 ATP를 추출함으로써, 상기 입자분류장치(10)의 루시페린과 ATP간의 발광반응을 실시간으로 유도하게 된다.
기존에 이온 발생기, 플라즈마 방전기 및 그 관련 기술들은 바이오 에어로졸, 입자, 가스 등 유해 물질 제거 용도로만 사용되었으며, 기존에 미생물을 용해시킴에 있어서는 lysis-buffer 등의 시약을 사용하는 방법에 한정되어 있었으나, 본 발명에서는 이를 탈피하여 이온 발생기, 플라즈마 방전기와 같이 반영구적으로 사용 가능한 장치를 미생물 용해 시스템에 적용하였다.
이에 따라, ATP 생물 발광 측정법에 의해 기상 중에 존재하는 부유미생물을 5분 이내로 신속하게 측정할 수 있으며, 샘플링부터 ATP추출 및 생물 발광까지의 과정이 일련의 수작업 없이 자동으로 이루어지므로, 기상 중 부유 미생물의 실시간 자동 측정이 가능하게 되었다.
이온 발생기, 플라즈마 방전기와 같이 반영구적으로 사용 가능한 장치를 미생물 용해 시스템에 적용함으로써, 기존에 lysis-buffer 등의 시약을 지속적으로 공급, 제어하는데 소요되던 고가의 비용, 관리, 유지의 어려움, 인체에 끼치는 독성에 대한 우려 없이, 저렴한 비용으로 안전하게 사용 가능하며, 전기적 방법에 의해 간편하게 제어할 수 있다.
기존의 바이오센서는 고가일 뿐 아니라, 일련의 수작업이 수반되어야 함에 따라 인력, 비용의 부담 또한 컸으나, 본 발명에 의하면 기상 중 부유 미생물의 실시간 자동 측정, 저가화, 안정화를 구현하여, 부유 미생물 실시간 측정장치의 보편화, 보급화가 가능하도록 한다.
이에 따라, 축사 및 식품 공장 등에서 광우병, 돼지 콜레라, 조류독감 또는 식품의 유해 미생물 번식을 간편하게 측정할 수 있게 되어, 공기감염에 의한 사회적, 경제적 손실을 효과적으로 방지할 수 있으며, 급격히 성장하고 있는 바이오센서 시장의 수요를 충당하여 바이오센서 보급화에 따른 인류 복지향상에 기여할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되는 것이 아니고, 상기 실시예들을 기존의 공지기술과 단순히 조합 적용한 실시예와 함께 본 발명의 특허청구범위와 상세한 설명에서 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 변형하여 이용할 수 있는 기술은 본 발명의 기술범위에 당연히 포함된다고 보아야 할 것이다.
본 발명은 기상 중에 존재하는 부유미생물을 신속하게 측정할 수 있는 실시간 측정장치 및 측정방법으로 유용하다.
Claims (20)
- 부유 미생물이 포집되며, ATP 반응 발광제가 도포되는 입자분류장치(10);미생물을 용해하여 ATP(adenosine triphosphate)를 추출하는 미생물 용해 시스템(20); 및상기 미생물 용해 시스템(20)에 의해 추출된 ATP가 상기 입자분류장치(10)에 도포된 ATP 반응 발광제와 반응하여 발생된 빛을 검출하도록 하는 수광소자(30);를 포함하는 미생물 용해 시스템과 ATP 발광을 이용한 기상 중 부유 미생물 실시간 측정장치.
- 제1항에 있어서,상기 입자분류장치(10)는 전기집진기(electrostatic pricipitator), 관성충돌장치(inertial impactor), 사이클론(cyclone), 원심분리기(centrifuge) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 미생물 용해 시스템과 ATP 발광을 이용한 기상 중 부유 미생물 실시간 측정장치.
- 제2항에 있어서,상기 부유 미생물은 상기 입자분류장치(10)에 구비된 포집판 또는 포집공간상에 포집되는 것을 특징으로 하는 미생물 용해 시스템과 ATP 발광을 이용한 기상 중 부유 미생물 실시간 측정장치.
- 제2항에 있어서,상기 부유 미생물은 상기 입자분류장치(10)의 포집판에 도포되거나 포집공간상에 수용된 액체에 포집되는 것을 특징으로 하는 미생물 용해 시스템과 ATP 발광을 이용한 기상 중 부유 미생물 실시간 측정장치.
- 제1항에 있어서,상기 입자분류장치(10)는 상기 ATP 반응 발광제가 흡수된 상태로 설치되는 것을 특징으로 하는 미생물 용해 시스템과 ATP 발광을 이용한 기상 중 부유 미생물 실시간 측정장치.
- 제1항에 있어서,상기 입자분류장치(10)에 상기 ATP 반응 발광제를 공급하는 ATP 반응 발광제 공급장치(11)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미생물 용해 시스템과 ATP 발광을 이용한 기상 중 부유 미생물 실시간 측정장치.
- 제1항에 있어서,상기 ATP 반응 발광제는 루시페린(luciferin)인 것을 특징으로 하는 미생물 용해 시스템과 ATP 발광을 이용한 기상 중 부유 미생물 실시간 측정장치.
- 제1항에 있어서,상기 입자분류장치(10)는 1㎛ 입자에 대해 50% 이상의 포집효율을 가지는 것을 특징으로 하는 미생물 용해 시스템과 ATP 발광을 이용한 기상 중 부유 미생물 실시간 측정장치.
- 제1항에 있어서,상기 미생물 용해 시스템(20)은 상기 미생물에 부착된 하전 이온간의 척력에 의해 상기 미생물의 셀벽을 손상시키며 ATP를 추출하는 이온 발생기인 것을 특징으로 하는 미생물 용해 시스템과 ATP 발광을 이용한 기상 중 부유 미생물 실시간 측정장치.
- 제6항에 있어서,상기 이온 발생기는 방전팁의 직경이 10㎛ 이하인 카본 브러시를 이용하는 오존 프리(ozone-free) 이온 발생기인 것을 특징으로 하는 미생물 용해 시스템과 ATP 발광을 이용한 기상 중 부유 미생물 실시간 측정장치.
- 제1항에 있어서,상기 미생물 용해 시스템(20)은 고전압의 방전에 의해 생성되는 고농도의 이온, 전자의 충돌에 의해 미생물의 셀벽을 손상시키며 ATP를 추출하는 플라즈마 방전기인 것을 특징으로 하는 미생물 용해 시스템과 ATP 발광을 이용한 기상 중 부유 미생물 실시간 측정장치.
- 제1항에 있어서,상기 수광소자(30)는 400㎚이상 내지 700㎚이하의 파장대역을 수신할 수 있는 감도를 가지는 것을 특징으로 하는 미생물 용해 시스템과 ATP 발광을 이용한 기상 중 부유 미생물 실시간 측정장치.
- 제1항에 있어서,상기 수광소자(30)에서 출력되는 전기적 신호를 미생물 농도에 비례하는 생물발광값과의 상관 관계에 따라 상기 미생물의 농도 또는 오염정도를 구체적인 수치로 출력하는 미생물 농도 계산부(61)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미생물 용해 시스템과 ATP 발광을 이용한 기상 중 부유 미생물 실시간 측정장치.
- 제1항 또는 제13항에 있어서,상기 수광소자(30)에서 검출된 빛에 의해 추출된 미생물의 농도 또는 오염정도를 실시간으로 표시하는 디스플레이 장치(40)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미생물 용해 시스템과 ATP 발광을 이용한 기상 중 부유 미생물 실시간 측정장치.
- 제1항에 있어서,미생물의 농도 또는 오염정도가 설정값을 초과하는지 여부를 비교하는 연산부(62)와, 상기 미생물의 농도 또는 오염정도가 설정값을 초과하는 경우 공기청정장치와 환기장치와 같은 외부 공조장치(70) 또는 휴대 단말기와 같은 무선통신기(80)를 포함하는 외부 장치로 제어신호를 무선 송신하는 출력부(65)를 구비하는 무선 컨트롤러(64);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미생물 용해 시스템과 ATP 발광을 이용한 기상 중 부유 미생물 실시간 측정장치.
- 제15항에 있어서,상기 수광소자(30)에서 검출된 빛에 의해 추출된 미생물의 농도 또는 오염정도에 대한 정보를 상기 무선통신기(80)로 무선 송신하는 통신부(63)를 구비하고, 상기 무선통신기(80)는 상기 통신부(63)의 신호를 무선 수신하는 수신부(81)와, 상기 수신부(81)의 신호를 상기 미생물의 농도 또는 오염정도에 관한 정보로 변환하여 해당 무선통신기(80)에서 표시하는 신호처리부(82)를 구비하는 것을 특징으로 하는 미생물 용해 시스템과 ATP 발광을 이용한 기상 중 부유 미생물 실시간 측정장치.
- 제1항에 있어서,대기를 상기 입자분류장치(10)측으로 강제 유동시켜 공압차를 생성하도록 설치되는 유동 발생수단(50)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미생물 용해 시스템과 ATP 발광을 이용한 기상 중 부유 미생물 실시간 측정장치.
- ATP 반응 발광제가 흡수된 입자분류장치(10)에 기상 중 부유 미생물을 샘플링 시킴과 동시에, 지속적으로 가동중인 미생물 용해 시스템(20)에 의해 미생물을 용해시키며 상기 입자분류장치(10)에 포집된 미생물의 ATP(adenosine triphosphate)를 추출하여 상기 입자분류장치(10)의 ATP 반응 발광제와 ATP간의 발광반응을 실시간으로 유도하며, 수광소자(30)를 이용하여 미생물 농도를 측정하는 것을 특징으로 하는 미생물 용해 시스템과 ATP 발광을 이용한 기상 중 부유 미생물 실시간 측정방법.
- 부유 미생물을 입자분류장치(10)에 포집하는 미생물 포집단계;미생물 용해 시스템(20)을 가동하여 미생물을 용해시켜 ATP(adenosine triphosphate)를 추출하는 ATP 추출단계; 및상기 ATP 추출단계에서 ATP가 추출됨과 동시에 상기 입자분류장치(10)에 존재하는 ATP 반응 발광제와 반응하여 발생된 빛을 수광소자(30)로 실시간 측정하는 실시간 검출단계;를 포함하는 미생물 용해 시스템과 ATP 발광을 이용한 기상 중 부유 미생물 실시간 측정방법.
- 제19항에 있어서,상기 실시간 검출단계에서 상기 수광소자(30)가 검출한 데이터를 미생물 농도로 변환하여 실시간으로 디스플레이하는 실시간 표시단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미생물 용해 시스템과 ATP 발광을 이용한 기상 중 부유 미생물 실시간 측정방법.
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Legal Events
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|---|---|---|---|
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| NENP | Non-entry into the national phase |
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| WWE | Wipo information: entry into national phase |
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| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 11856721 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |