KR101359268B1 - 바이오 필름 모니터링 장치 - Google Patents

바이오 필름 모니터링 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR101359268B1
KR101359268B1 KR1020120141036A KR20120141036A KR101359268B1 KR 101359268 B1 KR101359268 B1 KR 101359268B1 KR 1020120141036 A KR1020120141036 A KR 1020120141036A KR 20120141036 A KR20120141036 A KR 20120141036A KR 101359268 B1 KR101359268 B1 KR 101359268B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
biofilm
monitoring
substrate
sensor unit
tank
Prior art date
Application number
KR1020120141036A
Other languages
English (en)
Inventor
서성규
하운환
Original Assignee
고려대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 고려대학교 산학협력단 filed Critical 고려대학교 산학협력단
Priority to KR1020120141036A priority Critical patent/KR101359268B1/ko
Priority to PCT/KR2013/010730 priority patent/WO2014088249A1/ko
Priority to US14/650,056 priority patent/US10018568B2/en
Application granted granted Critical
Publication of KR101359268B1 publication Critical patent/KR101359268B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
    • G01N21/8422—Investigating thin films, e.g. matrix isolation method
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/483—Physical analysis of biological material
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/483—Physical analysis of biological material
    • G01N33/487—Physical analysis of biological material of liquid biological material
    • G01N33/4875—Details of handling test elements, e.g. dispensing or storage, not specific to a particular test method
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/483—Physical analysis of biological material
    • G01N33/487—Physical analysis of biological material of liquid biological material
    • G01N33/48785—Electrical and electronic details of measuring devices for physical analysis of liquid biological material not specific to a particular test method, e.g. user interface or power supply
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2201/00—Features of devices classified in G01N21/00
    • G01N2201/06—Illumination; Optics
    • G01N2201/061—Sources

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Hematology (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Urology & Nephrology (AREA)
  • Food Science & Technology (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Human Computer Interaction (AREA)
  • Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
  • Measuring Or Testing Involving Enzymes Or Micro-Organisms (AREA)

Abstract

본 발명은 바이오 필름의 그림자 이미지를 이용하여 바이오 필름의 형성 상태를 모니터링 할 수 있는 바이오 필름 모니터링 장치에 관한 것이다.
본 발명의 일실시예에 의한 바이오 필름 모니터링 장치는 물을 저장하는 수조; 상기 수조 내부에 배치되어 바이오 필름의 형성을 촉진시킬 수 있도록 표면 처리된 모니터링 기판; 상기 모니터링 기판 상부에 위치하여 상기 모니터링 기판 방향으로 빛을 발광하는 발광 모듈; 및 상기 모니터링 기판 하부에 배치되어 상기 모니터링 기판에 형성된 바이오 필름의 그림자 이미지를 촬영하는 이미지 센서부를 포함할 수 있다.

Description

바이오 필름 모니터링 장치{APPARATUS FOR MONITORING BIO FILM}
본 발명은 바이오 필름 모니터링 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 바이오 필름의 그림자 이미지를 이용하여 바이오 필름의 형성 상태를 모니터링 할 수 있는 바이오 필름 모니터링 장치에 관한 것이다.
바이오 필름은 특정한 세균이 특정한 표면에서 흡착, 성장, 탈착의 과정을 거치며 증식하여 만드는 생물막으로 전통적으로 이를 측정하기 위한 기술들은 다음과 같다.
ELISA(enzyme-linked immunosorbent assay)란 특이성이 좋고 민감도가 높은 항체와 신호발생원이 되는 효소를 이용하여 특정 상태의 세포만을 선택 반응시켜 흡광도, 발광도 또는 형광도를 측정하는 기술이다.
Photospectrometry란 바이오 필름의 원인이 되는 원인균을 특정한 종류의 시약으로 염색하고, 염색된 시료를 알코올 등의 솔벤트로 용해하여 원인균의 염색에 사용된 시약의 농도를 특정 파장에서의 흡광도를 측정하여 파악하는 기술이다.
이상의 방법들은 ELISA Reader나 Photospectrometer와 같은 고가의 전용 장비들을 사용하므로, 많은 비용과 복잡한 시스템을 요구한다. 또한, 상기 열거된 방법들은 항상 세포를 특정한 염색시약이나 효소와 같은 추가적인 물질들로 표식하여야 하므로 별도의 시약이 반드시 필요하고, 따라서 바이오 필름의 형성을 연속적으로 알 수 있는 실시간 모니터링에는 적합하지 않은 기술이다.
또한, 대한민국 공개특허 제10-2005-0007540호에는 공초점 영상 시스템을 이용하여 미생물 바이오 필름의 진행을 자동으로 측정하기 위한 방법 및 시험 화학약품의 미생물 유전자 발현 및 바이오 필름 진행에 대한 효과를 측정하는 방법이 개시되어 있다.
하지만, 대한민국 공개특허 제10-2005-0007540호는 바이오 필름 형성 상태를 측정하기 위해 별도의 시약이 반드시 필요하고, 따라서 바이오 필름의 형성을 연속적으로 알 수 있는 실시간 모니터링에는 적합하지 않은 기술이다.
따라서 보다 간단하면서도 저비용이며 별도의 시약을 필요로 하지 않으며 시료를 파괴하지 않는 바이오 필름의 실시간 모니터링 장치와 분석방법에 대한 연구가 필요한 실정이다.
본 발명의 목적은 물 내에 존재하는 바이오 필름의 형성을 촉진하고, 바이오 필름의 그림자 이미지를 이용하여 바이오 필름의 형성 상태를 모니터링 할 수 있는 바이오 필름 모니터링 장치를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일실시예에 의하면, 물을 저장하는 수조; 상기 수조 내부에 배치되어 바이오 필름의 형성을 촉진시킬 수 있도록 표면 처리된 모니터링 기판; 상기 모니터링 기판 상부에 위치하여 상기 모니터링 기판 방향으로 빛을 발광하는 발광 모듈; 및 상기 모니터링 기판 하부에 배치되어 상기 모니터링 기판에 형성된 바이오 필름의 그림자 이미지를 촬영하는 이미지 센서부를 포함하는 바이오 필름 모니터링 장치가 제공된다.
본 발명의 일실시예에 의한 바이오 필름 모니터링 장치는 간단하고 저비용의 장치를 이용하면서도 바이오 필름의 형성 상태를 별도의 시약 없이 연속적으로 관찰할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 의하면, 숙련된 검사자 혹은 기술자들이 시료를 채취하여 별도의 염색이나 인식자 부착 등의 과정을 거쳐 ELISA Reader나 Photospectrometer 등의 각종 측정장비를 이용해야만 알 수 있었던 정보를 간단한 이미지 프로세싱 기법과 결합한 컴퓨터 소프트웨어의 개발로 자동화 할 수 있어 비용이 감소하고 측정의 오차도 크게 줄일 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 의하면, 바이오 필름을 형성하는 세균의 그림자 이미지의 픽셀 값을 이용하므로, 고가의 장치 없이도 바이오 필름의 형성 정도를 손쉽게 분석할 수 있다.
도 1 내지 도 2는 본 발명의 일실시예와 관련된 바이오 필름 모니터링 장치이다.
도 3은 본 발명의 일실시예와 관련된 바이오 필름 모니터링 장치에 구비될 수 있는 발광 모듈을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일실시예와 관련된 바이오 필름 모니터링 장치의 일 구성인 모니터링 기판을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예와 관련된 바이오 필름 모니터링 장치를 이용하여 바이오 필름을 모니터링하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예와 관련된 바이오 필름 모니터링 장치를 이용하여 촬영한 바이오 필름 이미지와 현미경으로 촬영한 바이오 필름의 이미지를 비교한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예와 관련된 바이오 필름 모니터링 장치를 이용하여 측정한 세균의 일종인 PAK, Flic과 5309mt이 형성한 바이오 필름의 그림자 이미지 비교결과이다.
도 8은 세균의 일종인 PAK 및 5309mt이 형성한 바이오 필름을 본 발명의 일실시예와 관련된 바이오 필름 모니터링 장치를 이용하여 측정한 결과와 전통적인 ELISA Reader를 이용하여 측정한 결과를 비교한 도면이다.
이하, 본 발명의 일실시예와 관련된 바이오 필름 모니터링 장치 및 바이오 필름 모니터링 장치를 이용하여 바이오 필름의 형성 상태를 분석하는 방법에 대해 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명의 일실시예와 관련된 바이오 필름(Bio Film) 모니터링 장치는 물 내에 존재하는 바이오 필름의 형성을 촉진하고, 바이오 필름의 그림자 이미지를 이용하여 바이오 필름의 형성 상태를 모니터링 할 수 있다.
바이오 필름은 세균이 특정한 표면에서 흡착, 성장, 탈착의 과정을 거치며 증식하여 만드는 생물막이다. 즉, 바이오 필름은 세균의 집합체인데 그것이 얇게 필름처럼 들러붙어 있는 형태이다. 바이오 필름은 세균으로 인해 생성되며 다시 그것은 세균에게 서식처를 제공하며 세균 증식을 가속화하는 원인이 되기도 한다.
본 발명의 일실시예에 의한 바이오 필름 모니터링 장치는 바이오 필름의 그림자 이미지를 촬영하는 센서가 수조 외부에 존재하는 형태 및 바이오 필름의 그림자 이미지를 촬영하는 센서가 수조 내부에 존재하는 형태를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 의한 바이오 필름 모니터링 장치는 물을 공급하는 장치로서 구현될 수 있다. 예를 들어, 물을 공급하는 장치는 정수기, 생수기(냉온수기 포함) 등을 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 바이오 필름 모니터링 장치로서, 그림자 이미지를 촬영하는 센서가 수조 외부에 존재하는 형태를 나타낸다.
도시된 바와 같이, 바이오 필름 모니터링 장치(100)는 발광 모듈(110), 수조(120), 모니터링 기판(130), 센서부(140), 분석 모듈(150), 및 디스플레이 모듈(160)을 포함할 수 있다.
발광 모듈(110)은 바이오 필름의 그림자 이미지 촬영을 위해 위해 빛을 발광한다. 상기 발광 모듈(110)은 수조(120) 상단에 위치하여 자외선 램프(UV Lamp) 형태로 구현된 예를 나타낸다. 상기 자외선 램프가 살균 효과를 나타낼 수 있다는 장점이 있다.
수조(120) 내에는 물이 저장될 수 있다. 상기 수조(120) 내에 저장된 물에는 세균(bacteria)이 포함되어 있을 수 있다.
상기 수조(120) 내부 바닥면의 소정 부분에는 모니터링 기판(130)이 형성될 수 있다. 상기 모니터링 기판(130)에서 물과 접촉하는 면은 바이오 필름이 형성을 촉진할 수 있도록 표면 처리가 되어 있을 수 있다. 바이오 필름이 형성을 촉진할 수 있도록 표면 처리하는 방법은 후술하도록 하겠다.
본 명세서에서 바이오 필름이 형성을 촉진한다는 의미는 존재하지 않던 세균을 생성하여 바이오 필름을 형성하는 것을 의미하는 것이 아니라 물속에 이미 존재하여 산재하는 세균을 특정한 위치(예: 표면 처리된 모니터링 기판)에 집중적으로 모이게 하여 바이오 필름의 형성을 촉진하는 것을 의미한다.
상기 모니터링 기판(130)은 유리, 플라스틱 및 폴리머(polymer) 중 적어도 하나의 재질로 구성될 수 있다. 또한, 모니터링 기판(130)은 광학적으로 투명할 수 있다. 모니터링 기판(130)이 투명해야 상기 모니터링 기판(130) 위에 형성된 바이오 필름의 그림자 이미지를 보다 정확하게 촬영할 수 있다. 상기 모니터링 기판(130)은 센서부(140) 상단에 상기 센서부(140)와 착탈 가능하도록 접촉될 수 있다. 따라서 상기 모니터링 기판(130)에 이물질 또는 바이오 필름이 많이 형성되어 투명하지 않게 된 경우, 상기 모니터링 기판(130)만을 교체하여 상기 센서부(140)에 끼워 넣을 수 있다.
상기 모니터링 기판(130) 하부에는 센서부(140)가 배치될 수 있다. 센서부(140)는 바이오 필름의 그림자 이미지를 촬영할 수 있는 이미지 센서를 포함할 수 있다. 상기 이미지 센서는 CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 이미지 센서로 구현될 수 있다. 상기 CMOS 이미지 센서는 상보성 금속 산화물 반도체(CMOS) 구조를 가진 저소비 전력형의 촬상 소자이다. 상기 이미지 센서는 렌즈가 없는 형태로 구현될 수 있다. 상기 CMOS 이미지 센서는 반도체 공정을 통해 대량 생산이 가능하기에 가격이 저렴하고 처리 속도가 빠르다. 또한, 상기 이미지 센서는 렌즈를 사용하는 현미경 또는 ELISA Reader에 비해 관찰 범위가 넓으며 분석을 정량화, 자동화 할 수 있다.
도 1에 도시된 바이오 필름 모니터링 장치(100)는 상기 모니터링(130)은 수조(120)에 배치되고, 상기 센서부(140)는 상기 수조(140)에 배치된 구조이다.
분석 모듈(150)은 상기 센서부(140)를 통해 촬영된 바이오 필름의 그림자 이미지를 이미지 프로세싱 기법을 통해 분석하는 역할을 수행한다. 상기 분석 모듈(150)은 촬영된 바이오 필름의 그림자 이미지에서 SNR(Signal-to-Noise Ratio), PV(Pixel-value Variation), MAX(Maximum Intensity), Minimum Intensity(MIN), Averaged Intensity(AVE) 값 중 적어도 하나를 추출하여 바이오 필름의 형성 정도를 분석할 수 있다. MAX(Maximum Intensity)는 최대 픽셀 값을 의미하고, Minimum Intensity(MIN)은 최소 픽셀 값을 의미하고, Averaged Intensity(AVE)는 픽셀 값들의 평균을 의미한다.
도시된 분석 모듈(150)은 바이오 필름 모니터링 장치(100)의 일 구성요소로도 구현될 수 있지만, 바이오 필름 모니터링 장치(100)와 별도의 장치로도 구현될 수 있다.
분석 모듈(150)이 바이오 필름 모니터링 장치(100)와 별도로 존재하는 경우, 상기 분석 모듈(150)은 센서부(140)로부터 다양한 통신 방식(예: 유무선 통신)을 통해 바이오 필름의 그림자 이미지를 수신할 수 있다.
디스플레이 모듈(160)은 상기 분석 모듈(150)을 통해 분석된 결과(예: 바이오 필름의 형성 상태)를 디스플레이 할 수 있다. 또한, 상기 디스플레이 모듈(160)은 바이오 필름 형성된 정도가 임계치를 초과한 경우, 경고 신호를 출력할 수도 있다. 도시된 실시예에서는 디스플레이 모듈(160)이 상기 분석 모듈(150)과 별도로 구현되어 있지만, 상기 디스플레이 모듈(160)은 분석 모듈(150)의 일 구성요소로서 구현될 수도 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 바이오 필름 모니터링 장치로서, 그림자 이미지를 촬영하는 센서가 수조 내부에 존재하는 형태를 나타낸다.
도시된 바와 같이, 바이오 필름 모니터링 장치(200)는 발광 모듈(210), 수조(220), 모니터링 기판(230), 센서부(240), 분석 모듈(250), 및 디스플레이 모듈(260)을 포함할 수 있다.
상기 발광 모듈(210), 상기 수조(220), 상기 모니터링 기판(230), 상기 센서부(240), 상기 분석 모듈(250), 및 상기 디스플레이 모듈(260)에서 수행하는 기능은 도 1에 도시된 구성과 동일하게 적용될 수 있으므로, 여기서는 각 구성요소의 기능에 대한 상세한 설명은 생략하고, 구조에 대해 설명하도록 하겠다.
상기 센서부(240)는 수조 내부에 착탈 가능하도록 설치될 수 있다. 상기 센서부(240)의 하단부에 측방향으로 형성된 실링(sealing) 부재(245)가 양측에 형성되어 수조(220) 내부 바닥면에 형성된 홈에 끼워질 수 있다.
상기 센서부(240)는 발광 모듈(210)와 일체를 이룰 수 있도록 하우징(243)이 구비될 수 있다. 하우징(243)은 상기 발광 모듈(210)가 고정될 수 있는 공간이 마련된 상부 기판(241) 및 상기 상부 기판(241)과 연결되어 물이 투과될 수 있도록 형성된 측벽(242)을 포함할 수 있다.
따라서 상기 바이오 필름 모니터링 장치(200)는 센서부(240), 발광 모듈(210), 및 모니터링 기판(230)이 일체를 이룰 수 있다. 따라서 센서부(240), 발광 모듈(210), 및 모니터링 기판(230) 중 어느 하나가 교체 시기가 된 경우, 일체를 이루는 센서부(240), 발광 모듈(210), 및 모니터링 기판(230)를 하나의 세트로 교체할 수 있다.
한편, 본 발명의 일실시예에 의한 바이오 필름 모니터링 장치(100, 200)은 발광 모듈(110, 210)로 자외선 램프 외에 선명한 그림자 이미지 촬영을 위해 RGB 발광다이오드(LED, Light-Emitting Diode)가 사용될 수도 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예와 관련된 바이오 필름 모니터링 장치에 구비될 수 있는 발광 모듈을 나타낸다.
도시된 발광 모듈(300)은 RGB 발광다이오드(LED, Light-Emitting Diode) 및 핀홀(320)을 포함할 수 있다. 발광 모듈(300)로 RGB 발광다이오드(LED, Light-Emitting Diode)를 사용할 경우, 특정 색상에 대해 선명한 그림자 이미지가 촬영될 수 있다.
핀홀(320)은 상기 RGB 발광다이오드(310)의 하단에 결합되어 바이오 필름의 그림자 이미지를 선명하게 할 수 있다. 즉, 핀홀(320)은 빛의 가간섭성 및 조도 증대를 위해 사용될 수 있다.
상기 핀홀(320)은 플라스틱 재질의 필름 마스크 형태로 제작될 수 있다. 플라스틱 재질의 필름마스크 핀홀은 고해상도 레이져 프린터로 OHP 필름 등에 출력한 후 RGB 발광다이오드(110) 앞에 부착할 수 있으므로, 일반 플라스틱이나 금속 재질의 핀홀 보다 제조에 소요되는 비용이 훨씬 저렴하고, 손쉽게 제작될 수 있다. 또한, RGB 발광다이오드처럼 하나의 발광다이오드에 3가지 색깔(적색, 녹색, 청색)의 개별 광원이 집적되어 있는 다중파장 광원의 경우 3개의 핀홀이 수십 마이크로미터 간격으로 위치하여야 하는데, 고해상도 레이져 프린터로 출력하는 방식을 이용하면, 컴퓨터상에서 손쉽게 다중 핀홀을 디자인할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예와 관련된 바이오 필름 모니터링 장치의 일 구성인 모니터링 기판을 설명하기 위한 도면이다. 특히, 모니터링 기판(130, 230)에 바이오 필름 형성의 촉진을 위해 표면 처리하는 방법에 대해 설명하도록 하겠다. 도 1에 도시된 모니터링 기판(130)을 예로서 설명하도록 하겠다.
도 4(a)는 바이오 필름 형성의 촉진을 위해 양전하로 대전된 모니터링 기판이 사용된 예를 나타낸다.
세균은 일반적으로 중성 pH에서 세포벽에 순음전하(net negative charge)를 띄는 것으로 알려져 있다. 이러한 전하는 제타포텐셜(zeta-potential)을 결정하는데, 대부분의 세균은 생리학적인 pH (pH 7)에서 음의 제타포텐셜을 가진다. 특히, 그람 음성균 세포벽에 존재하는 리포폴리사카라이드(lipopolysaccharide)는 양전하에 높은 친화력을 보이는 것으로 알려져 있다. 따라서, 본 발명의 일실시예에서는 세균의 흡착을 담당할 모니터링 기판(130) 위에 통상 양전하 띄는 수 nm ~ 수백 nm 두께의 산화티타늄(TiO2), 산화알루미늄(Al2O3), 산화철(Fe2O3) 재질의 박막을 형성하여 세균의 흡착을 촉진시킬 수 있다.
도 4(b)는 바이오 필름 형성의 촉진을 위해 소수성 표면으로 개질된 모니터링 기판이 사용된 예를 나타낸다.
소수성(Hydrophobicity)은 세균의 흡착에 중요한 역할을 하는데, 예를 들면, 세균의 포자가 표면에 잘 들러붙거나, 대장균이 활성화된 슬러지 플럭(activated sludge flocs)에 잘 부착하는 것은 모두 소수성 특성에 의한 것으로 세균 표면의 소수성이 흡착에 얼마나 중요한 역할을 하는지 보여준다. 세균 표면의 소수성은 존재하는 단백질 분자의 종류에 따라 결정되는데, 이는 트립신(trypsin)과 같은 프로테올리틱 효소(proteolytic enzyme)를 세균에 처리하면 비브리오 프로테올리티카(Vibrio proteolytica)나 스트렙토코커스 상귀스(Streptococcus sanguis)와 같은 병원성 세균의 소수성이 감소하고 이로 인해 폴리스타이린(polystyrene)이나 헥사데칸(hexadecane)과 같은 소수성 표면에 대한 흡착률이 감소한다. 따라서, 본 발명의 일실시예에서는 모니터링 기판(130) 표면의 소수성 증가를 위해 유리, 플라스틱 혹은 투명한 고분자 재질의 기판을 산소플라즈마(Oxygen Plasma)로 처리하여 기판의 소수성을 높여 바이오 필름의 형성을 촉진하는 방법을 사용할 수 있다.
도 4(c)는 바이오 필름 형성의 촉진을 위해 단백질 혹은 고분자로 코팅된 모니터링 기판이 사용된 예를 나타낸다.
세균의 흡착을 증가시키기 위한 처리에는 표면을 단백질과 같은 유기물로 코팅하는 방법이 있다. 이러한 코팅은 표면의 자유에너지(free energy), 소수성 및 정전하(electrostatic charges)를 변화시켜 표면의 물리적 화학적 성질에 영향을 미친다. 따라서, 본 발명의 일실시예에서는 모니터링 기판(130)에 보바인세럼알부민(bovine serum albumin, BSA)과 같은 단백질이나, 폴리디메틸실록사인(polydimethylsiloxane, PDMS)와 같은 고분자로 코팅하여 바이오 필름의 형성을 촉진하는 방법을 사용할 수 있다
도 5는 본 발명의 일실시예와 관련된 바이오 필름 모니터링 장치를 이용하여 바이오 필름을 모니터링하는 방법을 나타내는 흐름도이다. 즉, 도 5는 촬영된 바이오 필름의 그림자 이미지를 이용하여 바이오 필름의 형성 정도를 분석하기 위한 과정을 나타낸다. 상기 분석 과정은 분석 모듈(150, 250)에서 수행될 수 있다.
바이오 필름의 형성은 통상 수시간에서 수일간의 장기간이 소요되므로 측정을 시작하는 시점에서 배경 그림자 이미지(Background Shadow Image)를 촬영한 후 바이오 필름의 형성이 시작되면 사용자가 측정을 원하는 시점에 신호 그림자 이미지(Signal Shadow Image)를 촬영한다(S510, S520). 이 후 이미지 빼기(Image Subtraction) 기법을 통해 배경 이미지 상의 노이즈를 효과적으로 제거할 수 있다(S530). 이미지 분석 기법을 통해 각 픽셀 값으로부터 특정 파라미터를 추출할 수 있다(S540). 상기 특정 파라미터는 SNR(Signal-to-Noise Ratio), PV(Pixel-value Variation), MAX(Maximum Intensity), MIN(Minimum Intensity) 및 AVE(Averaged Intensity) 값 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
추출된 값은 바이오 필름의 형성 정도를 표시할 수 있도록 디스플레이 하면 분석이 완료된다(S550).
상기 SNR은 수학식 1로 표현될 수 있다.
Figure 112012101349702-pat00001
여기에서
Figure 112012101349702-pat00002
와
Figure 112012101349702-pat00003
는 각각 그림자 이미지의 배경 평균값과 표준편차를 가리키며, Max(I)는 최대 밝기 픽셀 값이다.
상기 PV는 수학식 2로 표현될 수 있다.
Figure 112012101349702-pat00004
여기에서 N은 총 픽셀의 숫자, xi는 특정한 픽셀에서의 밝기 값, 그리고 μ는 N개의 픽셀의 밝기 평균 값을 의미한다.
또한, 상기 MAX는 그림자 이미지를 구성하는 각 픽셀 값들 중 최대 밝기 픽셀 값을 의미하고, MIN은 최소 밝기 픽셀 값을 의미하며, AVE는 평균 밝기 픽셀 값을 의미한다.
이하에서는 상술한 분석 과정을 거쳐 얻어진 결과에 대해 설명하도록 하겠다.
도 6은 본 발명의 일실시예와 관련된 바이오 필름 모니터링 장치를 이용하여 촬영한 바이오 필름 이미지와 현미경으로 촬영한 바이오 필름의 이미지를 비교한 도면이다.
도 6은 바이오 필름의 형성에 관여하는 세균의 일종인 5309mt의 발현을 촉진하는 Sup(Supernatant)의 농도 변화에 따른 바이오 필름 이미지 비교를 나타낸 도면이다. Sup(Supernatant)의 농도라 함은 바이오 필름의 형성을 촉진하기 위해서 사용된 Inducing Factor의 Supernatant의 농도를 의미한다. Supernatant는 부유물 혹은 상청액으로 해석할 수 있는데, 본 실시예에서는 바이오 필름의 형성을 촉진하는 성분을 상청액 형태로 주입하고 그 농도에 따른 변화를 본 것이다.
도 6에 사용된 Sup(Supernatant)의 농도는 Sample #1은 1250uM, Sample #2는 1000uM, Sample #3은 750uM, Sample #4는 500uM, Sample #5는 250uM, Sample #6은 0uM이다.
Sup의 농도는 Sample #1에서 가장 높고, Sample의 번호가 증가함에 따라 점차 감소한다. 바이오 필름 모니터링 장치를 통해 적색(R), 녹색(G), 청색(B) 파장의 LED 조사 하에서 촬영된 각각의 바이오 필름의 그림자 이미지(하단)와 동일 시료를 별도의 염색과정을 거쳐 현미경을 통해 촬영된 세포의 이미지(상단)를 나타낸 도면이다. 도시된 바와 같이, 별도의 염색과정을 거쳐 현미경으로만 관찰하거나 ELISA Reader 등으로만 검출할 수 있었던 바이오 필름은 도 1 또는 도 2에 도시된 저가, 소형의 광전자 부품으로만 구성된 모니터링 장치를 통해 별도의 염색과정이나 시약 없이 실시간으로 모니터링 할 수 있다. 본 실시예서는 도 1에 도시된 바이오 필름 모니터링 장치를 사용하였다.
도 7은 본 발명의 일실시예와 관련된 바이오 필름 모니터링 장치를 이용하여 측정한 세균의 일종인 PAK, Flic과 5309mt의 그림자 이미지 비교결과이다. 도 7에 사용된 Sup(Supernatant)의 농도는 Sample #1은 1250uM, Sample #2는 1000uM, Sample #3은 750uM, Sample #4는 500uM, Sample #5는 250uM, Sample #6은 0uM이다.
도 7은 도 1에 도시된 바이오 필름 모니터링 장치(100)에서 바이오 필름의 형성을 거의 유발하지 않는다고 알려진 세균의 일종인 PAK, Flic과 바이오 필름을 활발하게 형성하는 세균의 일종인 5309mt이 형성한 바이오 필름의 그림자 이미지 비교결과이다. 다만, 발광 모듈은 도 3에 도시된 RGB 발광다이오드(LED, Light-Emitting Diode) 및 핀홀(320)을 포함하는 발광 모듈(300)이 사용되었다.
적색(R), 녹색(G), 청색(B) 파장의 LED 조사 하에서 촬영된 각각의 바이오 필름의 그림자 이미지 분석결과는 공히 5309mt를 이용한 실험에서 Sup의 농도에 따라 점차 감소하는 추세를 보여주며, 청색(B) 파장의 LED 하에서 그 신호의 차이가 가장 큼을 나타낸다. 바이오 필름을 활발하게 형성하는 5309mt가 아닌 다른 종의 세균의 경우 다양한 파장의 빛의 조사가 바이오 필름의 형성 정도를 파악하는 데 유리할 수 있으므로, 광원은 다양한 파장을 가지는 RGB LED 광원을 사용하였다. 하지만, 응용분야에 따라서는 수조 속의 세균을 살균하는 빛의 파장을 가지는 UV Lamp도 광원으로 사용될 수 있다.
도 8은 세균의 일종인 PAK 및 5309mt를 본 발명의 일실시예와 관련된 바이오 필름 모니터링 장치를 이용하여 측정한 결과와 전통적인 ELISA Reader를 이용하여 측정한 결과를 비교한 도면이다. 도 8에서 사용된 Sup.의 농도는 1250uM이다.
도 8은 바이오 필름의 형성의 거의 유발하지 않는다고 알려진 세균인 PAK과 바이오 필름을 활발하게 유발하는 세균(5309mt)의 바이오 필름 형성 정도를 전통적인 ELISA Reader를 이용한 측정 방식과 본 발명의 일실시예에 의한 측정 방식(도 1에 도시된 바이오 필름 모니터링 장치 사용)으로 비교한 도면이다. PAK 세균과 5309mt 세균 모두 일반 배양액(LB)에서 보다 바이오 필름 형성 촉진제(Sup) 처리를 한 경우 바이오 필름의 형성이 모두 촉진되었음을 전통적인 ELISA Reader를 이용한 측정을 통해 알 수 있고, 본 발명의 일실시예에 의한 방식으로 같은 시료를 측정하여도 유사한 결과를 얻을 수 있음을 나타낸다.
따라서, 본 발명의 일실시예에 의한 바이오 필름 모니터링 방법을 이용하면 전통적인 바이오 필름 측정 방법이나 고가의 장비 없이도 CMOS 이미지 센서나 LED와 같은 간단하고 저비용의 장치를 이용하면서도 바이오 필름의 형성을 별도의 시약 없이 연속적으로 관찰할 수 있다.
상술한 바이오 필름의 형성 상태를 분석하는 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체에 기록될 수 있다. 이때, 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 한편, 기록매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.
컴퓨터로 판독 가능한 기록매체에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(Magnetic Media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(Optical Media), 플롭티컬 디스크(Floptical Disk)와 같은 자기-광 매체(Magneto-Optical Media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다.
한편, 이러한 기록매체는 프로그램 명령, 데이터 구조 등을 지정하는 신호를 전송하는 반송파를 포함하는 광 또는 금속선, 도파관 등의 전송 매체일 수도 있다.
또한, 프로그램 명령에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상술한 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
상기와 같이 설명된 바이오 필름 모니터링 장치 및 바이오 필름 모니터링 장치를 이용하여 바이오 필름의 형성 상태를 분석하는 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
100, 200: 바이오 필름 모니터링 장치
110, 210, 300: 발광 모듈
120, 220: 수조
130, 230: 모니터링 기판
140, 240: 센서부
150, 250: 분석 모듈
160, 260: 디스플레이 모듈

Claims (14)

  1. 삭제
  2. 물을 저장하는 수조;
    상기 수조 내부 또는 상기 수조 벽에 배치되어 바이오 필름의 형성을 촉진시킬 수 있도록 표면 처리된 모니터링 기판;
    상기 모니터링 기판 상부에 위치하여 상기 모니터링 기판 방향으로 빛을 발광하는 발광 모듈; 및
    상기 모니터링 기판 하부에 배치되어 상기 모니터링 기판에 형성된 바이오 필름의 그림자 이미지를 촬영하는 이미지 센서부를 포함하되,
    상기 표면 처리된 모니터링 기판은 양전하로 대전된 기판, 플라즈마로 표면 처리된 기판, 단백질로 코팅된 기판 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 필름 모니터링 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 양전하로 대전된 기판은
    산화티타늄(TiO2), 산화알루미늄(Al2O3), 산화철(Fe2O3) 중 적어도 하나의 재질로 막이 형성된 기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 필름 모니터링 장치.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 모니터링 기판은
    유리, 플라스틱 및 폴리머(polymer) 중 적어도 하나의 재질로 이루어지며, 투명한 것을 특징으로 하는 바이오 필름 모니터링 장치.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 발광 모듈
    하단부에 핀홀이 구비된 RGB 발광다이오드 및 자외선 램프 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 필름 모니터링 장치.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 모니터링 기판이 상기 수조 벽에 배치된 경우, 상기 센서부는 상기 수조 외부에 배치되어, 상기 모니터링 기판과 접촉되는 것을 특징으로 하는 바이오 필름 모니터링 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 모니터링 기판은
    상기 센서부와 착탈 가능하게 접촉되는 것을 특징으로 하는 바이오 필름 모니터링 장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 바이오 필름 모니터링 장치는
    상기 센서부를 통해 촬영된 바이오 필름의 그림자 이미지에서 특정 파라미터를 추출하여 상기 바이오 필름의 형성 상태를 분석하는 분석 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 필름 모니터링 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 특정 파라미터는
    상기 그림자 이미지의 SNR(Signal-to-Noise Ratio), PV(Pixel-value Variation), MAX(Maximum Intensity), MIN(Minimum Intensity) 및 AVE(Averaged Intensity) 값 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 필름 모니터링 장치.
  10. 제 2 항에 있어서,
    상기 모니터링 기판이 상기 수조 내부에 배치된 경우, 상기 센서부는 상기 수조 내부에 배치되어, 상기 모니터링 기판과 접촉되는 것을 특징으로 하는 바이오 필름 모니터링 장치.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 센서부는
    상기 발광 모듈이 고정되는 상부 기판, 및 상기 상부 기판과 연결되어 물이 투과될 수 있도록 형성된 측벽이 구비된 하우징; 및
    상기 측벽과 연결된 이미지 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 필름 모니터링 장치.
  12. 제 10 항에 있어서, 상기 센서부는
    상기 수조 내부에 형성된 홈에 끼워질 수 있는 실링(sealing) 부재를 더 포함하여, 상기 수조에 착탈 가능한 것을 특징으로 하는 바이오 필름 모니터링 장치.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 바이오 필름 모니터링 장치는
    상기 센서부를 통해 촬영된 바이오 필름의 그림자 이미지에서 특정 파라미터를 추출하여 상기 바이오 필름의 형성 상태를 분석하는 분석 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 필름 모니터링 장치.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 특정 파라미터는
    상기 그림자 이미지의 SNR(Signal-to-Noise Ratio), PV(Pixel-value Variation), MAX(Maximum Intensity), MIN(Minimum Intensity) 및 AVE(Averaged Intensity) 값 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 필름 모니터링 장치.
KR1020120141036A 2012-12-06 2012-12-06 바이오 필름 모니터링 장치 KR101359268B1 (ko)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120141036A KR101359268B1 (ko) 2012-12-06 2012-12-06 바이오 필름 모니터링 장치
PCT/KR2013/010730 WO2014088249A1 (ko) 2012-12-06 2013-11-25 바이오 필름 모니터링 장치
US14/650,056 US10018568B2 (en) 2012-12-06 2013-11-25 Device for monitoring biofilm

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120141036A KR101359268B1 (ko) 2012-12-06 2012-12-06 바이오 필름 모니터링 장치

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101359268B1 true KR101359268B1 (ko) 2014-02-11

Family

ID=50270041

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020120141036A KR101359268B1 (ko) 2012-12-06 2012-12-06 바이오 필름 모니터링 장치

Country Status (3)

Country Link
US (1) US10018568B2 (ko)
KR (1) KR101359268B1 (ko)
WO (1) WO2014088249A1 (ko)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7210305B2 (ja) * 2019-01-31 2023-01-23 日機装株式会社 流体殺菌装置
GB2581217B (en) * 2019-05-10 2021-03-17 Solmicrotek Ltd Biofilm sensor

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20050007540A (ko) * 2002-05-14 2005-01-19 애머샴 바이오사이언시즈 유케이 리미티드 바이오필름의 평가 방법
JP2007525216A (ja) 2004-02-23 2007-09-06 ベルナルディ、ティエリー 培養基中でバイオフィルムの形成および発育を検出することを可能にする方法および装置
KR20110006248A (ko) * 2009-07-14 2011-01-20 웅진코웨이주식회사 수배관내의 바이오필름 측정장치
JP2011067772A (ja) 2009-09-26 2011-04-07 Kobe Univ 被処理水の殺菌方法及びその装置

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4939151A (en) * 1988-10-31 1990-07-03 Baxter International Inc. Adherent cell culture flask
US5858769A (en) * 1989-05-15 1999-01-12 Akzo Nobel N.V. Device for detecting microorganisms
US5763266A (en) * 1989-06-15 1998-06-09 The Regents Of The University Of Michigan Methods, compositions and devices for maintaining and growing human stem and/or hematopoietics cells
ITBO20000713A1 (it) * 2000-12-06 2002-06-06 Castellini Spa Apparecchiatura e motodo per il rilevamento di biofilm in condotti idrici di riuniti dentali
US6709857B2 (en) * 2001-06-26 2004-03-23 Becton, Dickinson And Company System and method for optically monitoring the concentration of a gas in a sample vial using photothermal spectroscopy to detect sample growth
US6793880B2 (en) * 2001-07-13 2004-09-21 Minntech Corporation Apparatus and method for monitoring biofilm cleaning efficacy
DE102008036934B4 (de) * 2008-08-08 2014-09-25 Sartorius Stedim Biotech Gmbh Bioreaktor mit Fenster
US9206386B2 (en) * 2011-08-05 2015-12-08 Halliburton Energy Services, Inc. Systems and methods for analyzing microbiological substances
ME02052B (me) * 2012-09-06 2015-05-20 Uredjaji i postupci za kultivaciju celija

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20050007540A (ko) * 2002-05-14 2005-01-19 애머샴 바이오사이언시즈 유케이 리미티드 바이오필름의 평가 방법
JP2007525216A (ja) 2004-02-23 2007-09-06 ベルナルディ、ティエリー 培養基中でバイオフィルムの形成および発育を検出することを可能にする方法および装置
KR20110006248A (ko) * 2009-07-14 2011-01-20 웅진코웨이주식회사 수배관내의 바이오필름 측정장치
JP2011067772A (ja) 2009-09-26 2011-04-07 Kobe Univ 被処理水の殺菌方法及びその装置

Also Published As

Publication number Publication date
WO2014088249A1 (ko) 2014-06-12
US10018568B2 (en) 2018-07-10
US20150338350A1 (en) 2015-11-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6764002B2 (ja) サンプルを代表する光を検出すること及び利用すること
JP4288323B1 (ja) 顕微鏡装置及びそれを用いた蛍光観察方法
EP3375859B1 (en) Method for constructing classifier, and method for determining life or death of cells using same
JP6062059B2 (ja) バイオイメージング法
Jin et al. Lens-free shadow image based high-throughput continuous cell monitoring technique
ATE540316T1 (de) Verfahren und vorrichtung zur abbildung von zielkomponenten in einer biologischen probe unter verwendung von permanentmagneten
KR101363791B1 (ko) 세포 활성도 측정 장치 및 세포 활성도 분석 방법
WO2014172269A2 (en) Fluorescence imager on a mobile device
EP3004847B1 (en) Fluorescence imaging system for tissue detection
Zeder et al. Multispot live‐image autofocusing for high‐throughput microscopy of fluorescently stained bacteria
EP3134848B1 (en) Method for detecting micro-colonies growing on a membrane or an agarose medium of a sample and a sterility testing apparatus
Kwak et al. A simple and low-cost biofilm quantification method using LED and CMOS image sensor
US20230028360A1 (en) Artificial generation of color blood smear image
KR101359268B1 (ko) 바이오 필름 모니터링 장치
EP1418238A4 (en) DEVICE AND METHOD FOR ANALYZING MICROBES
WO2003100086A1 (fr) Procede et dispositif de comptage de cellules vivantes
JP4106626B2 (ja) 蛍光画像計測方法および装置
CN205920047U (zh) 一种大功率led的微阵列芯片荧光检测装置
Jung et al. Performance of scientific cameras with different sensor types in measuring dynamic processes in fluorescence microscopy
JP4840398B2 (ja) 抗原の分離装置並びにこれを利用した抗原の計測方法及び装置
CN111122527A (zh) 一种水环境中细菌原位显微成像检测装置及检测方法
JP2007097582A (ja) 微生物計数装置
Dahms et al. Advanced microscopy in mycology
JP2008096157A (ja) 微粒子検出装置
JP2005241435A (ja) 生細胞の計数方法および装置

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170109

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180108

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190121

Year of fee payment: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20200106

Year of fee payment: 7

R401 Registration of restoration