KR100738093B1 - ｐＨ 조절 장치 및 그를 이용한 ｐＨ 조절 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 pH를 조절하고자 하는 용액을 수용하는 전기 분해 칩; 상기 전기 분해 칩을 로딩하는 전기 분해 칩 로딩부; 전기 분해 조건을 입력하는 입력부; 상기 전기 분해 조건을 입력 받아 상기 전기 분해 칩의 전기 분해를 제어하는 제어부; 및 상기 전기 분해 조건 및 진행 상태를 출력하는 디스플레이부;를 포함하는 pH 조절 장치 및 그를 이용하여 pH를 조절하는 방법을 제공한다. 본 발명의 pH 조절 장치 및 방법에 따르면, 정전류, 정전압 및 인가 시간, 특히 정전류를 정밀하게 제어함으로써 전기 분해 과정에서 발생하는 가스, 샘플 자체의 염 농도, 또는 세포 용해 과정에서 발생하는 세포질의 농도 등 샘플 간의 차이에 관계 없이 용액의 pH를 편차 없이 정확하고 용이하게 조절할 수 있고, 세포 용해와 같은 다양한 생물학적 분석 과정에 유용하게 이용될 수 있다. 또한, 부피가 작아 휴대가 용이하고 전력 소모가 낮아 한 번 충전으로 오랜 구동이 가능하다.
전기 분해, pH, 생물학적 분석

Description

ｐＨ 조절 장치 및 그를 이용한 ｐＨ 조절 방법{Portable pH regulating device and method for regulating pH using the same}
도 1은 본 발명에 따른 pH 조절 장치의 일 구체예의 개략적인 다이어그램을 예시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 pH 조절 장치의 전기 분해 칩의 일 구체예를 도시한 측면 단면도이다.
도 3A는 본 발명에 따른 pH 조절 장치의 전기 분해 칩의 다른 구체예를 도시한 평면 투시도이고, 도 3B는 그의 측면 단면도이고, 도 3C는 그의 평면 사진이다.
도 4A는 본 발명에 따른 pH 조절 장치의 전기 분해 칩의 또 다른 구체예를 도시한 평면 투시도이고, 도 4B는 그의 측면 단면도이고, 도 4C는 그의 평면 사진이다.
도 5A 내지 도 5D는 본 발명에 따른 pH 조절 장치의 전기 분해 칩 로딩부의 여러 구체예를 도시한 측면 단면도이다.
도 6A는 본 발명에 따른 pH 조절 장치의 일 구체예의 사시도이고, 도 6B는 그의 상부면도이고, 도 6C는 그의 일 측면도이고, 도 6D는 그의 하부면도이고, 도 6E는 그의 상부면의 사진이고, 도 6F는 그의 전기 분해 칩 로딩부의 덮개가 열려져 있는 사진이다.
도 7A는 본 발명에 따른 pH 조절 장치의 일 구체예의 분해도이고, 도 7B는 그의 디스플레이부의 사진이고, 도 7C는 그의 PCB의 앞면의 사진이고, 도 7D는 그의 PCB의 뒷면의 사진이다.
도 8A는 본 발명에 따른 pH 조절 장치의 제어부에서 수행되는 프로그램의 일 구체예의 흐름도이고, 도 8B는 메뉴/전압 제어의 일 구체예의 흐름도이고, 도 8C는 AD 변환/전류 제어의 일 구체예의 흐름도이고, 도 8D는 인터페이스를 통한 외부 컴퓨터와의 데이터 통신의 일 구체예의 흐름도이다.
본 발명은 pH 조절 장치 및 그를 이용하여 유체의 pH를 조절하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 특정 병원균의 분자학적 진단은 4 단계, 즉 세포 용해(lysis), DNA 분리, DNA 증폭 및 DNA 검출로 이루어진다.
세포에서 DNA의 효율적인 추출은 많은 적용에서 필요하고, 분자학적 진단, 특히 병원균 동정 및 정량화에 본질적이다. 분자학적 진단은 일반적으로 DNA 추출 단계 후에 DNA 증폭에 의해 수행된다. DNA 증폭에는 중합효소 연쇄반응(PCR), 리가제 연쇄반응(Ligase Chain Reaction), 가닥 이동 증폭(stranded-displacement amplification), 핵산 기재 증폭, 복구 연쇄반응(repair chain reaction), 헬리카제 연쇄반응, QB 복제효소 증폭, 및 연결 활성화된 전사가 포함된다.
세포로부터 DNA의 분리 방법은 DNA를 결합하는 경향을 갖는 물질을 이용하여 수행된다. DNA의 분리를 위한 물질의 예는 실리카, 유리섬유, 음이온교환수지, 및 자성 비드이다. 세포 용해는 통상적으로 기계적, 화학적, 열적, 전기적, 초음파 및 마이크로웨이브 방법으로 수행된다.
상기와 같은 특정 병원균의 분자학적 진단을 포함하는 다양한 생물학적 분석 과정을 수행하기 위해서는 각 단계마다 상이한 pH를 필요로 할 수 있다.
상기 생물학적 분석과정에 있어서, 종래 pH의 조절은 산성 용액, 염기성 용액, 중성 용액 또는 버퍼 용액을 첨가하거나 제거함으로써 이루어졌다. 그러나, 상기 pH 조절용 용액을 첨가하거나 제거하는 경우, 별도의 장치 및 과정을 필요로 할 뿐만 아니라, 샘플 용액이 희석되는 문제점이 발생한다.
이러한 용액의 주입 단계 및 장치 문제는 미세 부피를 다루는 생물학적 분석 과정에 있어서는 심각한 문제가 될 수 있으며, 희석은 원하는 샘플을 채취하거나 증폭시킬 때 문제가 될 수 있다. 또한, 이렇게 첨가된 pH 조절 물질은 추후의 생물학적 분석 과정에서 저해물질로서 작용할 수 있는 경우에는 사용 후 제거되어야 하는 경우도 발생한다.
상기 생물학적 분석과정에 있어서, 용액의 pH를 조절하기 위한 다른 방법으로서 전기 분해를 이용하는 방법이 있다. 예컨대, 물을 전기 분해 시켜 애노드 전극 및 캐소드 전극에서 각각 발생하는 H+ 및 OH-에 의해 물의 pH를 낮추거나 높이는 방법이 있다. 상기 전기 분해를 이용한 pH 조절 방법에 있어서 샘플간의 염, 세포 농도 및 발생가스에 의한 저항변화에 따라서 전류량의 차이를 초래하므로, pH 제어에 가장 큰 영향을 미치는 인자인 전류를 일정하게 유지하는 것이 중요하다.
하지만, 정전류를 인가하여 전기 분해에 의해 pH를 조절하는 장치가 현재까지 보고되지 않았다. 또한, 상기 정전류를 얻기 위하여 콘덴서를 이용하는 경우 장치의 부피가 커져서 휴대하기 어려운 문제점이 있다.
본 발명은 상기의 종래 기술의 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 용액의 pH를 정확하고 용이하게 조절할 수 있는 pH 조절 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 pH 조절 장치를 이용하여 용액의 pH를 조절하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 pH를 조절하고자 하는 용액을 수용하는 전기 분해 칩; 상기 전기 분해 칩을 로딩하는 전기 분해 칩 로딩부; 전기 분해 조건을 입력하는 입력부; 상기 전기 분해 조건을 입력 받아 상기 전기 분해 칩의 전기 분해를 제어하는 제어부; 및 상기 전기 분해 조건 및 진행 상태를 출력하는 디스플레이부;를 포함하는 pH 조절 장치를 제공한다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 전기 분해 칩은 pH를 조절하고자 하는 용액을 수용하는 챔버; 상기 챔버의 일면에 배치되는 캐소드 전극; 및 상기 챔버의 다른 일면에 배치되는 애노드 전극;을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 전기 분해 칩은 이온 교환성 물질을 추가로 포함하고, 그에 의해 상기 챔버는 캐소드 전극을 구비하는 캐소드 챔버 및 애노드 전극을 구비하는 애노드 챔버로 구분될 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 전기 분해 칩 로딩부는 전기 분해 칩을 지지하는 전기 분해 칩 지지부; 상기 전기 분해 칩의 캐소드 전극 및 애노드 전극에 각각 접촉하고 스프링 패드를 구비하는 전극 접촉 단자; 및 상기 로딩된 전기 분해 칩을 덮는 덮개;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 전기 분해 조건은 상기 전기 분해 칩에 인가되는 전류, 인가되는 전압, 또는 그들의 인가 시간일 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 전기 분해 조건은 상기 전해 분해 칩에 인가되는 정전류 및 시간일 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 pH 조절 장치는 상기 전해 분해 칩에 인가되는 전압을 측정하여 제어부로 전송하는 전압 측정부를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 pH 조절 장치는 상기 전해 분해 칩에 인가되는 전류를 측정하여 제어부로 전송하는 전류 측정부를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 pH 조절 장치는 외부 컴퓨터와 연결 가능한 인터페이스를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 pH 조절 장치는 정보를 기억하는 기억 장치를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 pH 조절 장치는 전원 공급부를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 pH 조절 장치는 인가된 전원을 변환하여 상기 전기 분해 칩, 제어부 및 디스플레이부에 전류를 공급하는 전원 제어부를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 a) 전기 분해 칩의 애노드 챔버에 물보다 표준산화전위가 낮은 이온 또는 높은 이온을 포함하는 용액을 유입시키고, 캐소드 챔버에 물보다 표준환원전위가 낮은 이온을 포함하는 용액을 유입시키는 단계; b) 전기 분해 칩을 전기 분해 칩 로딩부에 로딩하는 단계; c) 전기 분해 조건을 입력하는 단계; 및 d) 상기 입력된 전기 분해 조건에 따라 애노드 전극 및 캐소드 전극을 통하여 전류를 인가하여 상기 애노드 챔버 및 캐소드 챔버에서 전기 분해를 일으켜 상기 애노드 챔버 또는 캐소드 챔버에 유입된 용액의 pH를 조절하는 단계;를 포함하는 본 발명에 따른 pH 조절 장치를 이용하여 용액의 pH를 조절하는 방법을 제공한다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 캐소드 챔버에 유입되는 용액은 세포 또는 바이러스를 포함하고 상기 조절된 pH에 의해 상기 세포 또는 바이러스가 용해될 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 캐소드 챔버에 유입되는 용액은 타액, 소변, 혈액, 혈청 및 세포 배양액으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 전기 분해 조건은 상기 전기 분해 칩에 인가되는 전류, 인가되는 전압, 또는 그들의 인가 시간일 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 전기 분해 조건은 상기 전해 분해 칩에 인가되는 정전류 및 시간일 수 있다.
본 발명의 pH 조절 장치 및 방법에 따르면, 정전류, 정전압 및 인가 시간을 정밀하게 제어함으로써 전기 분해 과정에서 발생하는 가스, 샘플 자체의 염 농도, 또는 세포 용해 과정에서 발생하는 세포질의 농도 차이에 관계 없이 용액의 pH를 정확하고 용이하게 조절할 수 있고, 세포 용해와 같은 다양한 생물학적 분석 과정에 유용하게 이용될 수 있다. 또한, 부피가 작아 휴대가 용이하고 전력 소모가 낮아 한 번 충전으로 오랜 구동이 가능하다.
본 발명의 장치는 정전류를 인가하여 전기 분해에 의해 용액의 pH를 정확하고 용이하게 조절할 수 있다.
이하 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명의 일 측면은 정전류를 인가하여 전기 분해에 의해 용액의 pH를 정확하고 용이하게 조절할 수 있는 pH 조절 장치에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 pH 조절 장치의 일 구체예의 개략적인 다이어그램을 예시한 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 pH 조절 장치는 pH를 조절하고자 하는 용액을 수용하는 전기 분해 칩(10); 상기 전기 분해 칩(10)을 로딩하는 전기 분해 칩 로딩부(11); 전기 분해 조건을 입력하는 입력부(12); 상기 전기 분해 조건을 입력 받아 상기 전기 분해 칩(10)의 전기 분해를 제어하는 제어부(13); 및 상기 전기 분해 조건 및 진행 상태를 출력하는 디스플레이부(14);를 포함한다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 전기 분해 칩은 pH를 조절하고자 하는 용액을 수용하는 챔버; 상기 챔버의 일면에 배치되는 캐소드 전극; 및 상기 챔버의 다른 일면에 배치되는 애노드 전극;을 포함할 수 있다.
또한, 상기 전기 분해 칩은 이온 교환성 물질을 추가로 포함하고, 그에 의해 상기 챔버는 캐소드 전극을 구비하는 캐소드 챔버 및 애노드 전극을 구비하는 애노드 챔버로 구분될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 이온 교환성 물질은 전류를 통과시키나 각 챔버에서 전기 분해에 의하여 발생한 이온 또는 가스를 통과시키지 않는 특성을 갖는다. 바람직하게, 상기 이온 교환성 물질은 전류는 통과시키나 수소 이온 및 하이드록사이드 이온은 통과시키지 않는 특성을 갖는다. 상기 이온 교환성 물질은 양이온 교환막 또는 음이온 교환막일 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 pH 조절 장치의 전기 분해 칩의 일 구체예를 도시한 측면 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 전기 분해 칩은 이온 교환막(17)을 포함하고, 그에 의해 챔버는 캐소드 전극(15)을 구비하는 캐소드 챔버(18) 및 애노드 전극(16)을 구비하는 애노드 챔버(19)로 구분된다.
도 3A는 본 발명에 따른 전기 분해 칩의 다른 구체예를 도시한 평면 투시도 이고, 도 3B는 그의 측면 단면도이고, 도 3C는 그의 평면 사진이다.
도 3A 내지 도 3B를 참조하면, 본 발명에 따른 전기 분해 칩의 또 다른 구체예는 이온 교환성 물질(17); 일면이 상기 이온 교환성 물질(17)로 구성되고, 상기 일면의 가장자리에 애노드 전극(15)을 구비하는 애노드 챔버(18); 및 일면이 상기 이온 교환성 물질(17)로 구성되고, 상기 일면의 가장자리에 캐소드 전극(16)을 구비하는 캐소드 챔버(19)를 포함하고, 상기 애노드 챔버(18) 및 캐소드 챔버(19)의 경계는 부도체(20)에 의하여 구분되어 있다. 상기 애노드 챔버(18) 및 캐소드 챔버(19)는 기판(21)에 의해 둘러싸여 있고, 상기 기판(21)에는 이온 교환성 물질 주입구(22)를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 이온 교환성 물질은 가교 반응과 동시에 성막되는 특성을 갖는 것일 수 있다. 상기 특성을 갖는 이온 교환성 물질을 사용하는 경우 본 발명에 따른 전기 분해 칩의 미세 제작이 보다 용이하다는 장점을 갖는다.
보다 바람직하게, 상기 이온 교환성 물질로서 본 출원인의 이전 출원, 대한민국 특허 출원 제 2005-52723호(발명의 명칭: 이온 교환성 혼합물 및 그의 제조방법)에 개시되어 있는 물질을 사용할 수 있다. 상기 출원의 모든 내용은 본 명세서 내용의 일부로서 통합된다.
도 4A는 본 발명에 따른 pH 조절 장치의 전기 분해 칩의 또 다른 구체예를 도시한 평면 투시도이고, 도 4B는 그의 측면 단면도이고, 도 4C는 그의 평면 사진이다.
도 4A 내지 도 4C를 참조하면, 본 발명에 따른 전기 분해 칩의 또 다른 구체 예는 이온 교환막(17); 일면이 상기 이온 교환막(17)의 일면으로 구성되고, 사다리 모양의 애노드 전극(16) 및 애노드 전극 지지부(23)를 포함하는 애노드 챔버(19); 및 일면이 상기 이온 교환막(17)의 다른 일면으로 구성되고, 캐소드 전극(15)을 포함하는 캐소드 챔버(18);를 포함하고, 상기 애노드 전극 지지부(23)는 그의 일면에 상기 사다리 모양의 애노드 전극(16)을 구비하고 상기 애노드 전극(16)의 사다리 모양에 따라 개구부가 형성되어 있으며 그의 다른 일면은 상기 이온 교환막(17)과 접촉하여 그를 지지한다. 또한, 상기 이온 교환막(17)의 다른 일면으로 구성되는 캐소드 챔버(18)의 일면에 대향하는 다른 일면에 필라 구조(24)가 형성되어 있고, 상기 필라 구조(24)는 상기 이온 교환막(17)과 접촉하여 그를 지지한다. 상기 필라 구조(24)는 생분자 흡착을 촉진시킨다. 또한, 캐소드 챔버의 유입구(22a) 및 유출구(22b)가 구비될 수 있고, 접촉 단자 연결구(25)도 구비될 수 있다.
상기 도 4A 내지 도 4C에 따른 전기 분해 칩은 그의 애노드 전극 지지부(23) 및 필라 구조(24)에 의해 상기 이온 교환막(17)을 지지함으로써 그의 팽창(swelling) 현상을 방지하여 챔버의 부피 변화를 최소화할 수 있고, 애노드 전극을 사다리 모양으로 전체적으로 분포 시킴으로써 전류 흐름을 촉진시켜 pH 조절을 효율적으로 수행할 수 있다.
바람직하게, 상기 전기 분해 칩은 캐소드 전극으로서 수소 가스를 흡착할 수 있는 금속을 구비하고 애노드 전극으로서 물보다 표준산화전위가 높고 물과 반응하지 않는 금속을 구비하는 챔버를 포함하여, 상기 챔버 내에서 가스가 발생하지 않을 수 있다. 예컨대, 상기 캐소드 전극은 팔라듐(Pd)일 수 있고, 상기 애노드 전 극은 구리(Cu), 납(Pb), 은(Ag), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 니켈(Ni), 아연(Zn), 철(Fe) 및 주석(Sn)으로 이루어지는 군으로부터 선택될 수 있다.
도 5A 내지 도 5D는 본 발명에 따른 pH 조절 장치의 전기 분해 칩 로딩부의 여러 구체예를 도시한 측면 단면도이다.
도 5A 내지 도 5D를 참조하면, 상기 전기 분해 칩 로딩부(11)는 전기 분해 칩(10)을 지지하는 전기 분해 칩 지지부(26); 상기 전기 분해 칩(10)의 캐소드 전극 및 애노드 전극에 각각 접촉하고 스프링 패드(27)를 구비하는 전극 접촉 단자(28); 및 상기 로딩된 전기 분해 칩(10)을 덮는 덮개(29);를 포함할 수 있다.
도 5A 및 도 5B의 경우 전극 접촉 단자(28)는 전기 분해 칩 지지부(26) 상에 위치하고 스프링 패드(27)는 전기 분해 칩 지지부(26) 내에 위치 한다. 도 5A 및 도 5B의 차이는 덮개의 고정축의 위치이다.
도 5C 및 도 5D의 경우 전극 접촉 단자(28) 및 스프링 패드(27)는 덮개(29) 하부에 위치 한다. 도 5C 및 도 5D의 차이는 덮개의 고정축의 위치이다.
상기와 같이 스프링 패드를 적용함으로써, 전기 분해 칩의 전극과 전기 분해 칩 로딩부의 전극 접촉 단자 사이에 강건한 접촉을 보장할 수 있고, 전기 분해 칩을 전기 분해 칩 로딩부에 용이하게 장착할 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 전기 분해 조건, 예컨대 상기 전기 분해 칩에 인가되는 전류, 인가되는 전압, 또는 그들의 인가 시간을 입력하는 입력부는 복수의 버튼으로 구성될 수 있다.
예컨대, 상기 입력부는 내림 버튼, 올림 버튼 및 메뉴/스타트 버튼으로 구성 될 수 있다. 상기 메뉴/스타트 버튼을 1번씩 누름에 따라 정전류 세팅 메뉴, 정전압 세팅 메뉴, 시간 세팅 메뉴 및 전기 분해 스타트 메뉴로 바뀐다. 상기 각 메뉴에 있어서, 상기 내림 버튼 및 올림 버튼에 의해 사용자가 원하는 수치를 선택할 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 전기 분해 조건 및 진행 상태를 출력하는 디스플레이부는 특정 종류로 제한되지 않고, 예컨대, 액정 표시 장치(LCD)일 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 제어부는 상기 전기 분해 조건을 입력 받아 상기 전기 분해 칩의 전기 분해를 제어한다. 상기 제어부는 전기 분해의 제어 뿐만 아니라, 아날로그 신호의 디지털 신호로의 전환, 아날로그 출력, 메모리, 버튼, 디스플레이부, 시간 및 각 소자간의 커뮤니케이션 등을 제어할 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 pH 조절 장치는 상기 전해 분해 칩(10)에 인가되는 전압을 측정하여 제어부(13)로 전송하는 전압 측정부(30)를 추가로 포함할 수 있다. 상기 전압 측정부(30)는, 예컨대, OP-AMPs(32a, 32b)로 구성될 수 있다. 상기 전압 측정부(30)에 의해 측정되는 전압에 의해 상기 제어부(13)는 전기 분해 칩(10)에 정전압을 인가할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 pH 조절 장치는 상기 전해 분해 칩(10)에 인가되는 전류를 측정하여 제어부(13)로 전송하는 전류 측정부(31)를 추가로 포함할 수 있다. 상기 전류 측정부(31)는, 예컨대, OP-AMP(32c) 및 저항(33)으로 구성될 수 있다. 상기 전류 측정부(31)에 의해 측정되는 전류에 의해 상기 제어부(13)는 전기 분해 칩(10)에 정전류를 인가할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 pH 조절 장치는 외부 컴퓨터와 연결 가능한 인터페이스(34)를 추가로 포함할 수 있다. 상기 인터페이스(34)는 예컨대 RS232 Serial Port일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 pH 조절 장치는 정보를 기억하는 기억 장치(35)를 추가로 포함할 수 있다. 상기 정보는 예컨대, 세팅 값 및 전환 인자 등일 수 있고, 상기 기억 장치(35)는 예컨대, EEPROM일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 pH 조절 장치는 전원 공급부(36)를 추가로 포함할 수 있다. 본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 전원 공급부(36)는 배터리, 예컨대, Li 이온 3.6 V 배터리일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 pH 조절 장치는 외부 전원에 연결 가능한 어댑터 포트(37)를 추가로 포함할 수 있다.
상기 인가되는 전원은 특별히 한정되지 않지만, 예컨대, 3~12 V일 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 본 발명에 따른 pH 조절 장치는 인가된 전원을 변환하여 상기 전기 분해 칩(10), 제어부(38) 및 디스플레이부(14)에 공급하는 전원 제어부(38)를 추가로 포함할 수 있다.
예컨대, 상기 전원 제어부(38)는 인가된 전원을 변환하여 상기 전기 분해 칩(10)에 16 V의 전압을 전송하고, 상기 제어부(38)를 포함하는 PCB에 5 V의 전압을 전송하고, 상기 디스플레이부(14)에 3.2 V의 전압을 전송할 수 있다.
도 6A는 본 발명에 따른 pH 조절 장치의 일 구체예의 사시도이고, 도 6B는 그의 상부면도이고, 도 6C는 그의 일 측면도이고, 도 6D는 그의 하부면도이고, 도 6E는 그의 상부면의 사진이고, 도 6F는 그의 전기 분해 칩 로딩부의 덮개가 열려져 있는 사진이다.
도 6A 내지 도 6D를 참조하면, 본 발명에 따른 pH 조절 장치의 일 구체예의 상부면에 디스플레이부로서 LCD(14), 입력부로서 3개의 버튼(12a, 12b, 12c)이 구비되고, 전기 분해 칩 로딩부가 구비된다. 또한, 그의 측면 중 하나에는 인터페이스(34), 어댑터 포트(37) 및 온/오프 스위치가 구비되어 있다. 또한, 그의 하부면에는 전원 공급부로서 배터리(36)가 구비된다. 또한, 상기 장치는 상부 케이스(40) 및 하부 케이스(42)를 포함하고 있다.
도 6E를 참조하면, LCD에는 전기 분해 러닝 시간, 인가 전류 및 인가 전압이 표시되고 있다. 도 6F를 참조하면, 전기 분해 칩 로딩부의 덮개가 열려져 있으며, 상기 전기 분해 칩 로딩부는 도 5A에 도시 되어 있는 전기 분해 칩의 일 구체예와 동일함을 알 수 있다. 제작된 pH 조절 장치는 가로 6 cm, 세로 4 cm, 및 높이 3 cm였다.
도 7A는 본 발명에 따른 pH 조절 장치의 일 구체예의 분해도이고, 도 7B는 그의 디스플레이부의 사진이고, 도 7C는 그의 PCB의 앞면의 사진이고, 도 7D는 그의 PCB의 뒷면의 사진이다.
본 발명의 다른 측면은 정전류를 인가하여 전기 분해에 의해 용액의 pH를 정확하고 용이하게 조절할 수 있는 pH 조절 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 pH 조절 방법은 a) 전기 분해 칩의 애노드 챔버에 물보다 표 준산화전위가 낮은 이온 또는 높은 이온을 포함하는 용액을 유입시키고, 캐소드 챔버에 물보다 표준환원전위가 낮은 이온을 포함하는 용액을 유입시키는 단계; b) 전기 분해 칩을 전기 분해 칩 로딩부에 로딩하는 단계; c) 전기 분해 조건을 입력하는 단계; 및 d) 상기 입력된 전기 분해 조건에 따라 애노드 전극 및 캐소드 전극을 통하여 전류를 인가하여 상기 애노드 챔버 및 캐소드 챔버에서 전기 분해를 일으켜 상기 애노드 챔버 또는 캐소드 챔버에 유입된 용액의 pH를 조절하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 일 구체예에서, 상기 물보다 표준산화전위가 낮은 이온은 NO3 -, F-, SO4 2-, PO4 3 - 및 CO3 2 - 등의 음이온이 포함되어진 하나 이상의 이온일 수 있고, 상기 물보다 표준산화전위가 높은 이온은 Cl- 이온이 포함되어진 전해질일 수 있으나, 이들 예에 한정되는 것은 아니다. 애노드 챔버 용액이 물보다 표준산화전위가 낮은 화합물인 경우, 본 발명의 일 구체예에 따른 미세유동장치를 이용하여 전기 분해를 수행하는 경우, 상기 애노드 챔버에서는 물이 전기 분해되어 산소 기체와 H+ 이온이 발생한다. 이 경우 상기 애노드 챔버 용액은 상기 H+ 이온에 의해 pH가 낮아지게 된다. 한편, 상기에서 설명한 바와 같이, 상기 애노드 전극으로 물보다 표준산화전위가 높고 물과 반응하지 않는 금속을 사용하는 경우 상기 금속이 산화되어 산소 기체가 발생하지 않는다. 물보다 표준산화전위가 높은 Cl- 이온은 세포의 용해만을 목적으로 하는 경우 특별히 사용될 수 있다.
본 발명의 일 구체예에서, 상기 물보다 표준환원전위가 낮은 이온의 예는 Na+, K+, Ca2+, Mg2+, 및 Al3+ 등의 양이온일 수 있으나, 이들 예에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 본 발명에 따른 pH 조절 장치를 이용하여 전기 분해를 수행하는 경우, 상기 캐소드 챔버에서는 물이 전기 분해되어 수소 기체와 OH- 이온이 발생한다. 이 경우 상기 캐소드 챔버 용액은 상기 OH- 이온에 의해 pH가 높아지게 된다. 한편, 상기에서 설명한 바와 같이, 상기 캐소드 전극으로 수소 가스를 흡착할 수 있는 금속을 사용하는 경우 상기 발생된 수소 가스는 흡착되어 가스 거품이 발생하지 않는다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 캐소드 챔버에 유입되는 용액은 세포 또는 바이러스를 포함하고 상기 조절된 pH에 의해 상기 세포 또는 바이러스가 용해될 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 캐소드 챔버에 유입되는 용액은 타액, 소변, 혈액, 혈청 및 세포 배양액으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 전기 분해 조건은 상기 전기 분해 칩에 인가되는 전류, 인가되는 전압, 또는 그들의 인가 시간일 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 전기 분해 조건은 상기 전해 분해 칩에 인가되는 정전류 및 시간일 수 있다.
도 8A는 본 발명에 따른 pH 조절 장치의 제어부에서 수행되는 프로그램의 일 구체예의 흐름도이고, 도 8B는 메뉴/전압 제어의 일 구체예의 흐름도이고, 도 8C는 AD 변환/전류 제어의 일 구체예의 흐름도이고, 도 8D는 인터페이스를 통한 외부 컴퓨터와의 데이터 통신의 일 구체예의 흐름도이다.
도 8B를 참조하면, 도 6A 내지 도 6F에서와 같이 입력부가 3개의 버튼으로 구성되는 본 발명에 따른 pH 조절 장치에 있어서, 버튼 1을 한 번씩 누를 때마다 메뉴가 전류 세팅, 시간 세팅, 및 전압 세팅으로 변화하고, 각 경우에 있어서 버튼 2(올림 버튼) 및 버튼 3(내림 버튼)을 누름으로써 상기 전류, 시간, 및 전압을 원하는 값으로 조정할 수 있다.
다시 도 8B를 참조하면, 버튼 1을 3번 눌러 전압 세팅에 두고 버튼 2 및 버튼 3을 이용하여 원하는 값으로 조정한 다음 다시 버튼 1을 눌러 전기 분해를 스타트한다. 이후, 전압 측정부 및 제어부에 의해 전기 분해 칩에 정전압을 인가하여 전기 분해를 실시한다.
도 8C를 참조하면, 버튼 1을 1회 누른 다음 정전류 수치를 설정하고, 다시 버튼 1을 눌러 전기 분해 시간을 설정한 다음, 버튼 1을 눌러 전기 분해를 스타트한다. 본 발명에 따른 전류 측정부 및 제어부에 의해 전기 분해 칩에 인가되는 전류를 일정하게 유지한다.
전기 분해에 의한 pH 제어에 있어서, 가장 중요한 인자는 전류이다. 본 발명에 따른 pH 조절 장치는 특히 정전류를 정확하게 제어할 수 있어 용액의 pH를 정확하고 용이하게 조절할 수 있다.
본 발명의 pH 조절 장치 및 방법에 따르면, 정전류, 정전압 및 인가 시간을 정밀하게 제어함으로써 전기 분해 과정에서 발생하는 가스, 샘플 자체의 염 농도, 또는 세포 용해 과정에서 발생하는 세포질의 농도 차이에 관계 없이 용액의 pH를 정확하고 용이하게 조절할 수 있고, 세포 용해와 같은 다양한 생물학적 분석 과정에 유용하게 이용될 수 있다. 또한, 부피가 작아 휴대가 용이하고 전력 소모가 낮아 한 번 충전으로 오랜 구동이 가능하다(예컨대, 3.7 V 배터리 및 650 mAh 기준 약 7 시간 구동 가능).
이하 본 발명을 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 이들 실시예는 본 발명을 예시적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
본 발명에 따른 pH 조절 장치를 이용한 pH 조절 실험
도 6A 내지 도 6F에 따른 pH 조절 장치를 이용하여 그의 pH 조절 능력을 확인하였다.
이를 위해, 전기 분해 칩의 캐소드 챔버 및 애노드 챔버를 각각 10 ㎕의 55 mM Na2SO4 용액으로 채우고, 이를 전기 분해 칩 로딩부에 로딩하였다. 다음으로, 정전류 및 러닝 시간을 다르게 세팅하면서 전기 분해를 실시하고, 각 용액의 pH를 측정하였다.
그 결과를 표 1에 나타내었다. 표 1에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 pH 조절 장치를 이용하면 용액의 pH를 정확하고 용이하게 조절할 수 있음을 알 수 있다.
<표 1>
1 mA 2 mA 3 mA 4 mA
시간 애노드 캐소드 애노드 캐소드 애노드 캐소드 애노드 캐소드
3 초 2 12 1 13 1 13 0 14
6 초 1 13 1 13 0 14 0 14
9 초 1 13 0 14 0 14 0 14
12 초 1 13 0 14 0 14 0 14
15 초 0 14 0 14 0 14 0 14
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 pH 조절 장치 및 방법에 따르면, 정전류, 정전압 및 인가 시간, 특히 정전류를 정밀하게 제어함으로써 전기 분해 과정에서 발생하는 가스, 샘플 자체의 염 농도, 또는 세포 용해 과정에서 발생하는 세포질의 농도 등 샘플 간의 차이에 관계 없이 용액의 pH를 편차 없이 정확하고 용이하게 조절할 수 있고, 세포 용해와 같은 다양한 생물학적 분석 과정에 유용하게 이용될 수 있다. 또한, 부피가 작아 휴대가 용이하고 전력 소모가 낮아 한 번 충전으로 오랜 구동이 가능하다.

Claims (17)

  1. pH를 조절하고자 하는 용액을 수용하는 챔버; 상기 챔버의 일면에 배치되는 캐소드 전극; 및 상기 챔버의 다른 일면에 배치되는 애노드 전극을 포함하는 전기 분해 장치;
    전기 분해 장치를 지지하는 전기 분해 장치 지지부; 상기 전기 분해 장치의 캐소드 전극 및 애노드 전극에 각각 접촉하고 스프링 패드를 구비하는 전극 접촉 단자; 및 상기 장착된 전기 분해 장치를 덮는 덮개를 포함하는 전기 분해 장치 장착부;
    전기 분해 조건을 입력하는 입력부;
    상기 전기 분해 조건을 입력 받아 상기 전기 분해 장치의 전기 분해를 제어하는 제어부; 및
    상기 전기 분해 조건 및 진행 상태를 출력하는 디스플레이부;
    를 포함하는 pH 조절 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 전기 분해 장치는 이온 교환성 물질을 추가로 포함하고, 그에 의해 상기 챔버는 캐소드 전극을 구비하는 캐소드 챔버 및 애노드 전극을 구비하는 애노드 챔버로 구분되는 것을 특징으로 하는 pH 조절 장치.
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 전기 분해 조건은 상기 전기 분해 장치에 인가되는 전류, 인가되는 전압, 또는 그들의 인가 시간인 것을 특징으로 하는 pH 조절 장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 전기 분해 조건은 상기 전해 분해 장치에 인가되는 정전류 및 시간인 것을 특징으로 하는 pH 조절 장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 전해 분해 장치에 인가되는 전압을 측정하여 제어부로 전송하는 전압 측정부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 pH 조절 장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 전해 분해 장치에 인가되는 전류를 측정하여 제어부로 전송하는 전류 측정부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 pH 조절 장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    외부 컴퓨터와 연결 가능한 인터페이스를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 pH 조절 장치.
  10. 제 1항에 있어서,
    정보를 기억하는 기억 장치를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 pH 조절 장치.
  11. 제 1항에 있어서,
    전원 공급부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 pH 조절 장치.
  12. 제 1항에 있어서,
    인가된 전원을 변환하여 상기 전기 분해 장치, 제어부 및 디스플레이부에 전류를 공급하는 전원 제어부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 pH 조절 장치.
  13. a) 전기 분해 장치의 애노드 챔버에 물보다 표준산화전위가 낮은 이온 또는 높은 이온을 포함하는 용액을 유입시키고, 캐소드 챔버에 물보다 표준환원전위가 낮은 이온을 포함하는 용액을 유입시키는 단계;
    b) 전기 분해 장치를 전기 분해 장치 장착부에 장착하는 단계;
    c) 전기 분해 조건을 입력하는 단계; 및
    d) 상기 입력된 전기 분해 조건에 따라 애노드 전극 및 캐소드 전극을 통하여 전류를 인가하여 상기 애노드 챔버 및 캐소드 챔버에서 전기 분해를 일으켜 상기 애노드 챔버 또는 캐소드 챔버에 유입된 용액의 pH를 조절하는 단계;
    를 포함하는 제 1항, 제 3항 및 제 5항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 따른 pH 조절 장치를 이용하여 용액의 pH를 조절하는 방법.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 캐소드 챔버에 유입되는 용액은 세포 또는 바이러스를 포함하고 상기 조절된 pH에 의해 상기 세포 또는 바이러스가 용해되는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 13항에 있어서,
    상기 캐소드 챔버에 유입되는 용액은 타액, 소변, 혈액, 혈청 및 세포 배양액으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제 13항에 있어서,
    상기 전기 분해 조건은 상기 전기 분해 장치에 인가되는 전류, 인가되는 전압, 또는 그들의 인가 시간인 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 전기 분해 조건은 상기 전해 분해 장치에 인가되는 정전류 및 시간인 것을 특징으로 하는 방법.
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