KR101645168B1 - 흡광도를 이용한 액체시료 분석장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 흡광도를 이용한 액체시료 분석장치 및 그 방법이 개시된다. 액체시료가 상면에 배치되는 하부투명유리, 상기 배치된 액체시료를 눌러서 측면으로 퍼지게 하는 상부투명유리, 상기 상부투명유리의 높이를 조절하는 회전돌기, 상기 회전돌기를 포함하고, 상기 하부투명유리 및 상기 상부투명유리를 지지하는 지지부 및 상기 하부투명유리와 상기 상부투명유리의 기 설정된 기준두께를 기초로 기준두께에서의 흡광도를 산출하고, 상기 산출된 흡광도를 기초로 상기 액체시료에 대한 용질의 양을 산출하는 제어부를 포함한다.

Description

흡광도를 이용한 액체시료 분석장치 및 그 방법{liquid sample analysis device and method using optical density}
본 발명을 액체시료 분석장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 흡광도를 이용한 액체시료 분석장치 및 그 방법에 관한 것입니다.
근래에 고농도의 액체시료, 특히 어두운 물질의 경우, 용질의 농도를 추측하기 위해, 화학반응을 이용하는 대신 분광 광도계(spectrophotometer), 사진 농도계(photo-densitometer) 등을 이용하여 광량을 측정하고, 이를 통해 흡광도(absorbance) 또는 투과도(transmittance)를 측정하는 방법을 많이 이용되고 있다.
특히, 매우 소량의 용액을 희석하여 용질의 농도를 측정하는 방법은 희석절차가 따른 번거로움이 동반되고, 결과의 부정확도가 높아질 수 있는 단점이 있다. 즉, 작은 물방울정도의 액체 시료인 경우, 약 3 내지 5mg과 같이 그 양이 매우 적기 때문에, 희석시 용질의 농도가 어느 정도로 추가되었는지 정확히 판단하기 어렵다. 따라서, 희석된 농도 또한 부정확성이 커질 수 있는 단점이 있다.
분광 광도계, 사진 농도계, 레이저 농도계(laser densitometer) 등의 분광 분석 장비는 상당히 고가이며, 큐벳(cuvette)에 액체 시료를 넣는 경우, 시료의 양은 어느 일정수준 이상의 양이 있어야 한다. 또 시료를 넣는 큐벳 내의 경로 길이(path length)가 어느 정도 길이가 있으므로, 고농도의 어두운 시료는 광학밀도, 흡광도, 투과율을 측정하는데 램프의 광량이 센서에 거의 도달하지 못하는 경우가 있다. 이러한 경우, 흡광도의 정확도가 매우 떨어지며, 짙은 농도일수록 측정값의 오차가 큰 단점이 있다.
따라서, 상기 문제점들을 극복할 수 있는 방법에 대한 연구들이 이루어지고 있는 실정이다.
한국등록특허 제10-1027762호는 주사형 프로브 현미경 또는 캔틸레버 센서를 이용하여 용이하면서도 확실하게 분석용 액체의 증발을 방지할 수 있는 액중 시료 분석 방법에 관한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 소량의 액체시료가 넓은 면적으로 분산되게 액체시료의 두께를 조절하여, 2차원적으로 넓게 분산된 액체의 흡광도 측정데이터를 다량으로 검출하는 흡광도를 이용한 액체시료 분석장치 및 그 방법을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 액체시료에 대한 빛의 투과도를 높여서 흡광도 측정을 용이하게 하는 흡광도를 이용한 액체시료 분석장치 및 그 방법을 제공한다.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 액체시료의 두께, 질량, 밀도를 이용하여 액체시료의 용질 함량을 산출하는 흡광도를 이용한 액체시료 분석장치 및 그 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 흡광도를 이용한 액체시료 분석장치는,
액체시료가 상면에 배치되는 하부투명유리, 상기 배치된 액체시료를 측면으로 퍼지게 하는 상부투명유리, 상기 상부투명유리의 높이를 조절하여 상기 액체시료의 두께를 기 설정된 두께로 유지하는 회전돌기, 상기 회전돌기를 포함하고, 상기 하부투명유리 및 상기 상부투명유리를 지지하는 지지부, 상기 액체시료를 빛으로 조사하는 광원, 상기 조사된 액체시료의 흡광도(optical density)를 측정하는 2차원 광학 분석장치 및 상기 측정된 흡광도를 기초로 기 설정된 흡광도와 질량비의 관계식을 이용하여 용질의 양을 산출하는 제어부를 포함한다.
상기 하부투명유리 및 상기 상부투명유리는, 서로 평행을 유지하는 것을 특징을 한다.
상기 회전돌기는, 360°로 회전하고, 시계방향으로 회전하면 상기 상부투명유리의 높이가 상승하고, 반시계방향으로 회전하면 상기 상부투명유리의 높이가 하강하는 것을 특징으로 한다.
상기 지지부는, 상기 상부투명유리를 지지하고 숫나사를 포함하는 제1 지지부 및 상기 하부투명유리를 지지하고 암나사를 포함하는 제2 지지부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 회전돌기는, 상기 암나사 사이의 간격이 1㎜인 경우 1° 회전시 1/360㎜로 상기 상부투명유리의 높이를 마이크로미터(㎛) 단위로 조절하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 지지부는, 상기 숫나사가 상기 회전돌기와 연결되어 서로 연동되는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는, 상기 측정된 흡광도를 기초로 질량비(W/W fraction)를 산출한 후, 하기 수학식을 이용하여 용질의 양을 산출하는 것을 특징으로 한다.
[수학식]
Figure 112014118645611-pat00001
여기서,
Figure 112014118645611-pat00002
은 액체시료에 대한 용질의 질량을 의미하고,
Figure 112014118645611-pat00003
은 액체시료에 대한 시료의 질량을 의미하며,
Figure 112014118645611-pat00004
는 시료에서 차지하는 용질의 질량비를 의미한다.
본 발명에 따른 다른 액체시료 분석장치는,
액체시료가 상면에 배치되는 하부투명유리, 상기 배치된 액체시료를 측면으로 퍼지게 하는 상부투명유리, 상기 상부투명유리의 높이를 조절하는 회전돌기, 상기 회전돌기를 포함하고, 상기 하부투명유리 및 상기 상부투명유리를 지지하는 지지부 및 상기 하부투명유리와 상기 상부투명유리의 기 설정된 기준두께를 기초로 기준두께에서의 흡광도를 산출하고, 상기 산출된 흡광도를 기초로 상기 액체시료에 대한 용질의 양을 산출하는 제어부를 포함한다.
상기 제어부는, 하기 수학식을 이용하여 상기 기준두께에서의 흡광도를 산출하는 하는 것을 특징으로 한다.
Figure 112014118645611-pat00005
여기서, ODref는 기준두께에서 액체시료의 흡광도를 의미하고, tref는 액체시료의 기준두께를 의미하며, tmeas는 액체시료의 현재두께를 의미하고, ODmeas는 현재 측정한 액체시료의 흡광도를 의미한다.
상기 제어부는, 상기 산출된 흡광도를 기 설정된 흡광도와 질량비의 관계식를 이용하여 상기 액체시료에 대한 용질의 양을 산출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 흡광도를 이용한 액체시료 분석방법은,
액체시료가 하부투명유리의 상면에 배치하는 단계, 상기 배치된 액체시료를 상부투명유리로 눌러서 측면으로 퍼지게 하는 단계, 상기 상부투명유리를 기 설정된 높이로 유지하는 단계, 상기 액체시료를 빛으로 조사하는 단계, 상기 조사된 액체시료의 흡광도(optical density)를 측정하는 단계 및 상기 측정된 흡광도를 기초로 기 설정된 흡광도와 질량비의 관계식을 이용하여 용질의 양을 산출하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 흡광도를 이용한 액체시료 분석장치 및 그 방법은 소량의 액체시료가 넓은 면적으로 분산되게 액체시료의 두께를 조절하여, 2차원적으로 넓게 분산된 액체의 흡광도 측정데이터를 다량으로 검출한다.
또한 액체시료에 대한 빛의 투과도를 높여서 흡광도 측정을 용이하게 한다.
또한 액체시료의 두께, 질량, 밀도를 이용하여 액체시료의 용질 함량을 산출한다.
또한 종래의 분광 분석 장치들과 달리 저렴한 비용으로 소량의 액체시료를 분석한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액체시료 분석장치를 설명하기 위한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체시료 분석장치를 설명하기 위한 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 액체시료 분석장치를 설명하기 위한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체시료 분석장치를 설명하기 위한 분해도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체시료의 형태변이를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 도 5의 도면을 실제로 구현한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 액체시료에 대한 용질의 함량을 달리하여 흡광도를 측정한 결과를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 액체시료의 스캐닝을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 액체시료의 불균일한 두께로 설치된 경우를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 제1 실시예에 따른 소량 고농도 액체시료를 측정하는 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
이하 본 발명의 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의한다. 또한 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 당업자에게 자명하거나 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액체시료 분석장치를 설명하기 위한 구성도이다. 도 1(a)는 액체시료(110)가 측면으로 퍼지지 않은 상태를 설명하기 위한 도면이고, 도 1(b)는 액체시료(110)가 측면으로 퍼진 상태 후, 흡광도의 측정을 설명하기 위한 도면이다.
도 1(a) 및 도 1(b)를 참조하면, 액체시료 분석장치(1)는 상부투명유리(120), 하부투명유리(130), 광원(140), 2차원 광학 분석장치(150)를 포함한다.
상부투명유리(120)는 높이 조절을 통하여 상부투명유리(120)의 하면과 액체시료(110)를 상기 액체시료(110)를 측면으로 퍼지게 한다. 상부투명유리(120)는 투명한 유리로 빛이 투과할 수 있으며, 휘어짐이 없을 수 있다.
하부투명유리(130)는 상면에 액체시료(110)를 배치시킨다. 하부투명유리(130)는 상기 액체시료(110)가 측면으로 퍼질 때, 움직이지 않도록 고정이 된다. 또한 하부투명유리(130)는 상부투명유리(120)와 동일하게 투명한 유리로 구성될 수 있으며, 휘어짐이 없을 수 있다.
광원(140)은 빛을 내는 물체 또는 도구로써, 액체시료(110)의 흡광도를 확인하기 위하여 빛을 액체시료(110)에 조사한다. 광원(140)은 텅스텐 램프, 텅스텐 할로겐 램프, 형광 램프, HMI 램프, 카본 아크 램프, 플래시, 스트로보 라이트, 핸드헬드 램프 및 리플렉터 중 어느 하나일 수 있다.
2차원 광학 분석장치(150)는 상기 광원(140)에서 조사된 빛에 대한 액체시료(110)의 흡광도를 측정한다. 2차원 광학 분석장치(150)는 평면 형태의 광 투과형 분석장치이고, 이를 통해 보다 용이하게 액체시료의 농도를 산출할 수 있다.
제어부(160)는 액체시료 분석장치(1)의 전반에 대한 제어를 수행한다. 특히, 제어부(160)는 액체시료(110)의 흡광도를 기초로 부피, 밀도 및 용질의 양을 산출하여 액체시료(110)를 분석한다.
액체시료 분석장치(1)는 소량의 액체시료(110)를 눌러 기 설정된 두께를 유지시키며, 이를 통해 흡광도를 측정하여 액체시료(110)이 포함하는 용질의 양을 산출한다.
액체시료 분석장치(1)는 액체시료(110)의 위아래에 상부투명유리(120)와 하부투명유리(130)을 접촉시키며, 이 때 액체시료(110)는 양쪽 면에 닿자마자 상부투명유리(120)와 하부투명유리(130)을 스스로 당기려는 응집력이 발생한다. 액체시료(110)의 응집력으로 인해 액체시료(110)는 위, 아래로 힘을 받아 측면으로 퍼지게 된다. 여기서, 위, 아래로 힘을 받는 현상은 액체시료(110)의 응집력과 모세관 효과에 의해 이루어질 수 있다.
액체시료 분석장치(1)는 상기 현상을 통하여 소량의 액체시료(110)를 넓고 균일하게 분산시키며, 상부투명유리(120)와 하부투명유리(130) 사이의 간격이 액체시료(110)의 두께가 되도록 한다. 액체시료 분석장치(1)는 상기 간격을 조절하여 광원(140)으로부터 발생되는 광량을 보다 큰 강도로 측정할 수 있다. 또한 액체시료 분석장치(1)는 액체시료(110)의 면적이 넓어지는 효과로 인하여 2차원 광학 분석장치(150)로 스캔된 이미지로부터 많은 데이터들을 검출할 수 있다. 상기 검출된 데이터들은 제어부(160)를 통해 보다 정확하고 정밀하게 액체시료(110)를 분석한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체시료 분석장치를 설명하기 위한 평면도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 액체시료 분석장치를 설명하기 위한 단면도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체시료 분석장치를 설명하기 위한 분해도이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 액체시료 분석장치(1)는 상부투명유리(120), 하부투명유리(130), 회전돌기(210) 및 지지부(220)를 포함한다.
상부투명유리(120)와 하부투명유리(130)에 대한 설명은 전술되었기 때문에 반복하여 기술하지 않는다.
회전돌기(210)는 상부투명유리(120)의 높이를 조절하여 액체시료(110)의 두께를 기 설정된 두께로 유지시킨다. 회전돌기(210)는 360°로 회전하고, 이 때 시계방향으로 회전을 하면 상부투명유리(120)의 높이가 상승하고, 반시계방향으로 회전을 하면 상부투명유리(120)의 높이가 하강한다. 즉, 회전돌기(210)는 후술되는 제2 지지부(320)의 암나사(325)를 따라 회전하면서 높이조절이 가능하며, 회전하는 방향에 따라 눈금이 있다.
여기서, 제2 지지부(320)의 암나사(325) 간격이 1㎜인 경우, 회전돌기(210)가 1°회전 시 1/360㎜로 상부투명유리(120)의 높이를 마이크로미터(㎛) 단위로 미세하게 조절한다.
지지부(120)는 회전돌기(210)를 포함하고, 상부투명유리(120)와 하부투명유리(130)을 지지한다. 지지부(120)는 버니어 캘리퍼스와 같은 눈금이 9/10 비율로 어긋난 각도눈금(221)을 포함한다. 이는 각도를 1/10°로 조절할 수 있는 것을 의미한다.
지지부(120)는 상부투명유리(120)를 지지하고 숫나사(315)를 포함하는 제1 지지부(310) 및 하부투명유리(130)를 지지하고 암나사(325)를 포함하는 제2 지지부(320)를 포함한다.
상세하게는, 제1 지지부(310)는 제1 유리 받침턱(222), 제2 유리 받침턱(223), 제3 유리 받침턱(224) 및 제4 유리 받침턱(225)을 포함하여 상부투명유리(120)를 지지한다. 이 때, 상부투명유리(120)는 액체시료(110)에 닿자마자, 응집력을 받아 아래로 당겨지려는 힘을 받기 때문에 제1 내지 제4 유리 받침턱(222, 223, 224, 225) 위에서 위치가 안정될 수 있다.
여기서, 제1 지지부(310)는 핀셋홈(226)을 더 포함하여 상부투명유리(120)를 교체하기 용이하게 할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체시료의 형태변이를 설명하기 위한 도면이다. 도 5(a)는 액체시료가 퍼지지 않고 방울형태를 설명하기 위한 도면이고, 도 5(b)는 액체시료가 퍼진 형태를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 도 5의 도면을 실제로 구현한 도면이다. 도 6(a)는 도 5(a)의 도면을 실제로 구현한 도면이고, 도 6(b)는 도 5(b)의 도면을 실제로 구현한 도면이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 액체시료 분석장치(1)는 소량의 액체시료(110)을 넓게 퍼지게 하여 흡광도 측정을 용이하게 한다.
액체시료 분석장치(1)는 상부투명유리(120)를 액체시료(110)의 응집력에 의하여 자연히 아래로 힘을 받게 한다. 이 때, 액체시료 분석장치(1)는 상부투명유리(120)와 하부투명유리(130) 사이를 받치는 지지부(220)로 두께를 조절하며, 이를 통해 액체시료(110)를 균일하게 퍼지게 한다.
따라서, 액체시료 분석장치(1)는 액체시료(100)을 균일한 두께를 유지시킴으로써 흡광도를 측정하는데 용이하게 한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 액체시료에 대한 용질의 함량을 달리하여 흡광도를 측정한 결과를 설명하기 위한 도면이다.
도 7을 참조하면, 제어부(160)는 측정된 액체시료(110)의 흡광도를 기초로 기 설정된 관계식에 적용하여 액체시료(110)이 포함하는 용질의 함량을 산출할 수 있다.
제어부(160)는 저장부(미도시)에 저장된 액체시료(110)의 여러 농도 또는 질량비 별로 측정하여 산출된 농도와 흡광도의 관계식 또는 질량비와 흡광도의 관계식을 이용한다. 이를 통해 제어부(160)는 농도 또는 질량비를 알 수 없는 액체시료(110)에 대한 흡광도를 산출한다.
여기서, 상기 저장부에 저장된 농도와 흡광도의 관계식 또는 질량비와 흡광도의 관계식은 일정한 두께에서 실험하여 측정된 데이터로 산출된 관계식이다.
(실시 예)
도 7은 어떤 특정한 액체시료(갈색 검정 분말)에 대한 용질의 함량을 달리하여 흡광도를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다. 여기서, 보다 정밀한 방법으로 알짜 흡광도(net optical density)를 사용한다. 상기 알짜 흡광도는 용질이 포함되지 않은 순수한 용매의 흡광도를 빼서 산출한 흡광도이다. 여기서, 알짜 흡광도를 이용하여 그래프를 도시하면, 용질의 양이 전혀 첨가되지 않은 시료의 흡광도는 0으로 나타낼 수 있기 때문에 용질의 함량 대비 흡광도 곡선을 더욱 정확하게 표현할 수 있다.
먼저, 액체시료 분석장치(1)는 용질이 첨가되지 않은 순수한 용매로만 흡광도를 측정한다. 그런 다음, 액체시료를 첨가하는 양을 달리하여 흡광도를 측정한다. 상기 측정된 흡광도를 [수학식 1]에 의해 알짜 흡광도를 산출한다.
Figure 112014118645611-pat00006
여기서,
Figure 112014118645611-pat00007
는 알짜 흡광도를 의미하고,
Figure 112014118645611-pat00008
는 측정하고자 하는 용질을 포함하는 용액(solution) 의 흡광도 값을 의미하며,
Figure 112014118645611-pat00009
는 용질을 포함하지 않는 순수한 용매(solvent)의 흡광도 값을 의미한다.
상기
Figure 112014118645611-pat00010
및
Figure 112014118645611-pat00011
는 각각 [수학식 2] 및 [수학식 3]으로 정의된다.
Figure 112014118645611-pat00012
여기서,
Figure 112014118645611-pat00013
는 용액을 지난 후, 분석광의 세기를 의미하고,
Figure 112014118645611-pat00014
는 용액을 지나기 전, 분석광의 세기를 의미하며,
Figure 112014118645611-pat00015
는 용매를 지난 분석광의 투과도 값을 의미한다.
Figure 112014118645611-pat00016
여기서,
Figure 112014118645611-pat00017
는 용액을 지난 후, 분석광의 세기를 의미하고,
Figure 112014118645611-pat00018
는 용액을 지나기 전, 분석광의 세기를 의미하며,
Figure 112014118645611-pat00019
는 용액을 지난 분석광의 투과도 값을 의미한다.
액체시료 분석장치(1)는 투과율 값을 이용하여 흡광도 값을 산출하고, 강도(intensity) 값을 이용하여 흡광도 값을 산출한다. 또한 2차원 광학 분석장치(150)로 스캔된 이미지를 수신할 경우, 액체시료 분석장치(1)는 수신된 이미지로부터 강도를 검출하여 흡광도 값을 산출한다.
즉, [수학식 1]을 강도 값으로 다시 표현을 하면 [수학식 4]와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112014118645611-pat00020
만약 액체시료 분석장치(1)의 광원(140)이 매 측정시 거의 변함없이 분석광의 세기를 출력한다면, [수학식 5]와 같이 근사값으로 정의할 수 있다.
Figure 112014118645611-pat00021
따라서, [수학식 4]에서
Figure 112014118645611-pat00022
와
Figure 112014118645611-pat00023
를 소거시키면, [수학식 6]과 같이 수학식을 정리할 수 있다.
Figure 112014118645611-pat00024
결과적으로, 액체시료 분석장치(1)는 [수학식 6]을 이용하여 알짜 흡광도 값을 산출한다.
액체시료 분석장치(1)는 산출된 알짜 흡광도와 액체시료의 양 사이의 관계를 정의할 수 있다. 이를 통해 액체시료 분석장치(1)는 상기 관계에 대한 관계식을 산출할 수 있다.
마지막으로 액체시료 분석장치(1)는 상기 산출된 관계식을 이용하여 액체시료의 농도를 산출할 수 있다.
(제1 실험 예)
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 액체시료의 스캐닝을 설명하기 위한 도면이다. 상세하게는, 도 8은 질량비(f)와 알짜 흡광도 사이의 관계를 나타낸 실험에 대한 그래프를 도시한 도면이다.
도 8을 참조하면, 2차원 광학 분석장치로써, Epson professional 10000XL 평판형 스캐너를 사용하여 액체시료를 스캐닝을 하였다.
여기서, 점선표시된 액체시료를 통해 알 수 있는 것 같이, 이러한 방법은 액체시료의 모든 면적이 흡광도 환산에 필요한 데이터로 사용될 수 있는 강점이 있다. 기존의 분광기(spectrometer) 투과 방식에서는 입사빔과 통과된 빔 사이의 결과로만 데이터를 취하는 단점이 있다.
예를 들면, 고농도 액체시료가 소량 20㎎인 경우, 큐벳에 넣어 분광분석을 하기에는 매우 적은 량이므로 희석절차를 수행하거나 다른 방법을 수행해야 한다. 또한 이러한 방법들은 1차원적인 분석이므로 1회 분석시, 1개의 데이터만을 얻을 수 밖에 없는 단점이 있다.
하지만 본 발명을 이용하면, 소량의 액체시료 22㎎은 약 20㎠의 면적으로 넓게 분산할 수 있다. 특히, 스캐너를 이용하여 해상도 2400dpi로 이미지를 얻는 경우, 약 1.8×107개의 데이터를 검출할 수 있고, 상기 검출된 모든 데이터의 통계를 이용하면 보다 정확한 값을 예측할 수 있다.
먼저, 스캐닝을 통해 얻은 이미지는 이미지 툴 등을 이용하여 액체시료의 면적을 산출하였다. 예를 들면, 스캔시 해상도가 2400dpi이고, 얻은 이미지에서 시료 용액의 이미지가 차지하고 있는 픽셀수가 1.785×107개였다면, 1px의 길이는 1/2400dpi = 25.4/2400㎜가 되고, 1px의 면적은 (25.4/2400)2㎟가 되므로, 액체시료의 면적은 1.785×107×(25.4/2400)2㎟ = 1999.32㎟ = 19.99㎠으로 산출된다.
다음으로, 산출된 면적과 일정한 액체시료의 두께를 기초로 액체시료의 총 부피를 산출하였다(부피 = 면적 × 두께). 액체시료의 질량이 m인 경우, [수학식 7]를 이용하여 액체시료의 밀도를 산출하였다.
Figure 112014118645611-pat00025
여기서,
Figure 112014118645611-pat00026
는 액체시료의 밀도를 의미하고,
Figure 112014118645611-pat00027
은 액체시료의 질량을 의미하며,
Figure 112014118645611-pat00028
는 액체시료의 부피를 의미하고,
Figure 112014118645611-pat00029
는 액체시료의 면적을 의미하며,
Figure 112014118645611-pat00030
는 액체시료의 두께 평균을 의미한다.
마지막으로, 사전 실험을 기초로 작성된 그래프(도 7)를 이용하여 산출된 관계식으로, 스캐너에서 얻은 이미지의 흡광도 정보를 적용하여 [수학식 10]와 같이 용질의 질량을 산출하였다.
여기서, 흡광도-질량비 관계식(Fitting equation)은 사용자가 임의로 판단할 수 있고, 본 실험에서는 흡광도-질량비 관계식을 [수학식 8]과 같이 정의하였다.
Figure 112014118645611-pat00031
여기서,
Figure 112014118645611-pat00032
는 알짜 흡광도를 의미하고,
Figure 112014118645611-pat00033
,
Figure 112014118645611-pat00034
는 임의의 변수를 의미하며,
Figure 112014118645611-pat00035
는 질량비
Figure 112014118645611-pat00036
를 의미한다.
[수학식 8]을
Figure 112014118645611-pat00037
에 대하여 정리를 하여 이미지로부터 얻은 알짜 흡광도를 산출하였고, 산출된 알짜 흡광도를 기초로 미지의 시료에 대한 질량비를 [수학식 9]와 같이 산출하였다.
Figure 112014118645611-pat00038
Figure 112014118645611-pat00039
여기서,
Figure 112014118645611-pat00040
은 액체시료에 대한 용질의 질량을 의미하고,
Figure 112014118645611-pat00041
은 액체시료에 대한 시료의 질량을 의미하며,
Figure 112014118645611-pat00042
는 시료에서 차지하는 용질의 질량비를 의미한다.
즉, 상기 [수학식 10]을 통해, 액체시료가 포함하는 용질의 양을 산출하였다.
(제2 실험 예)
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 액체시료의 불균일한 두께로 설치된 경우를 설명하기 위한 도면이다. 도 9(a)는 액체시료의 불균일한 두께를 도시한 도면이고, 도 9(b)는 도 9(a)의 액체시료에 대한 평면도를 도시한 도면이다.
도 9를 참조하면, 액체시료(110)의 두께가 고르지 못한 경우, 즉, 현재 액체시료의 정확한 두께(t)를 정의하기 어려운 경우, 기준두께에서 실험하지 않은 경우 또는 액체시료(110)의 용질이 균일하게 분포하지 않은 경우일 때, 액체시료(110)에 대한 용질의 양을 산출하였다.
여기서, 액체시료(110)의 용질이 고르게 분포하지 않은 경우는 액체시료(110)의 두께가 불균일한 경우와 동일하다고 볼 수 있다.
이에, 선형 감쇠계수(linear attenuation coefficient)를 이용하여 액체시료(110)가 기준두께일 때의 해당 흡광도를 산출하고, 산출된 흡광도를 이용하여 액체시료(110)가 포함하는 용질의 양을 산출하였다.
선형 감쇠계수는 [수학식 11] 내지 [수학식 15]을 이용하여 산출하였다.
Figure 112014118645611-pat00043
Figure 112014118645611-pat00044
Figure 112014118645611-pat00045
Figure 112014118645611-pat00046
Figure 112014118645611-pat00047
여기서,
Figure 112014118645611-pat00048
는 데이터의 총 개수를 의미하고,
Figure 112014118645611-pat00049
는 각 지점마다의 액체시료의 두께를 의미하며,
Figure 112014118645611-pat00050
는 액체시료의 평균 두께를 의미하고,
Figure 112014118645611-pat00051
는 투과도(transmission)값을 의미하며,
Figure 112014118645611-pat00052
는 선형 감쇠계수를 의미한다.
산출된 선형 감쇠계수는 변하지 않는 값이므로 이를 이용하여 액체시료의 기준두께에서 흡광도를 [수학식 16] 내지 [수학식 20]와 같이 산출하였다.
Figure 112014118645611-pat00053
Figure 112014118645611-pat00054
Figure 112014118645611-pat00055
Figure 112014118645611-pat00056
Figure 112014118645611-pat00057
여기서,
Figure 112014118645611-pat00058
는 스캔된 이미지로부터 얻은 분석광의 강도를 의미하고,
Figure 112014118645611-pat00059
는 액체시료의 기준두께를 의미하며,
Figure 112014118645611-pat00060
는 액체시료의 현재두께를 의미하고,
Figure 112014118645611-pat00061
는 기준두께에서 액체시료의 흡광도를 의미하며,
Figure 112014118645611-pat00062
는 현재두께에서 액체시료의 흡광도를 의미한다.
상기 수학식을 통해 기준두께에서의 흡광도를 산출한 후, 산출된 흡광도를 알짜 흡광도와 질량비의 관계를 적용하여 액체시료(110)가 포함하는 용질의 양을 산출하였다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 액체시료 분석방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 10을 참조하면, 액체시료 분석방법은 소량의 액체시료(110)를 이용하여 액체시료(110)가 포함하는 용질의 양을 산출한다.
제1 단계는 액체시료를 배치한다(S100). 제1 단계는 하부투명유리(130)의 상면에 액체시료(110)을 배치시킨다. 이 때, 액체시료(110)는 소량이며, 방울형태일 수 있다.
제2 단계는 상부투명유리의 높이를 조절한다(S110). 제2 단계는 상부투명유리(120)를 기 설정된 높이로 조절한다. 상기 상부투명유리(120)는 회전돌기(210)의 회전에 따라 높이 조절이 된다. 여기서, 상기 기 설정된 높이는 액체시료(110)와 상부투명유리(120)가 적어도 접촉이 되는 높이이다. 즉, 상부투명유리(120)와 하부투명유리(130)의 간격이 액체시료(110)의 두께이다.
이 때, 액체시료(110)는 상부투명유리(120)와의 접촉에서 발생되는 응집력때문에 스스로 당겨지며, 이로 인해 측면으로 퍼지게 된다.
제3 단계는 액체시료에 빛을 조사한다(S120). 제3 단계는 광원(140)에서 발광하는 빛을 액체시료(110)에 조사한다. 상기 광원(140)은 일정한 빛을 조사한다.
제4 단계는 흡광도를 측정한다(S130). 제4 단계는 제3 단계에서 조사된 액체시료(110)의 흡광도를 2차원 광학 분석장치(150)로 측정한다. 상기 2차원 광학 분석장치(150)는 평면 형태의 광 투과형 분석장치이다.
제5 단계는 부피, 밀도, 용질의 양을 산출한다(S140). 제5 단계는 제4단계에서 측정된 흡광도를 기초로 제어부(160)에서 액체시료(110)의 부피, 밀도, 용질의 양을 산출한다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
1: 액체시료 분석장치
110: 액체시료
120: 상부투명유리
130: 하부투명유리
140: 광원
150: 2차원 광학 분석장치
160: 제어부
210: 회전돌기
220: 지지부
221: 각도눈금
222: 제1 유리 받침턱
223: 제2 유리 받침턱
224: 제3 유리 받침턱
225: 제4 유리 받침턱
226: 핀셋홈
310: 제1 지지부
315: 숫나사
320: 제2 지지부
325: 암나사

Claims (11)

  1. 액체시료가 상면에 배치되는 하부투명유리;
    상기 배치된 액체시료를 측면으로 퍼지게 하는 상부투명유리;
    상기 상부투명유리의 높이를 조절하여 상기 액체시료의 두께를 기 설정된 두께로 유지하는 회전돌기;
    상기 회전돌기를 포함하고, 상기 하부투명유리 및 상기 상부투명유리를 지지하는 지지부;
    상기 액체시료를 빛으로 조사하는 광원;
    상기 조사된 액체시료의 흡광도(optical density)를 측정하는 2차원 광학 분석장치; 및
    상기 측정된 흡광도를 기초로 기 설정된 흡광도와 질량비의 관계식을 이용하여 용질의 양을 산출하는 제어부를 포함하는 흡광도를 이용한 액체시료 분석장치를 이용하여,
    액체시료를 하부투명유리의 상면에 배치하는 단계;
    상기 배치된 액체시료를 상부투명유리로 측면으로 퍼지게 하는 단계;
    상기 상부투명유리를 기 설정된 높이로 유지하는 단계;
    상기 액체시료를 스캐닝하여 면적을 측정하는 단계;
    상기 액체시료를 빛으로 조사하여 흡광도(optical density)를 측정하는 단계; 및
    상기 측정된 면적 및 흡광도를 기초로 기 설정된 흡광도와 질량비의 관계식을 이용하여 용질의 양을 산출하는 단계를 포함하는 흡광도를 이용한 액체시료 분석방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 하부투명유리 및 상기 상부투명유리는, 서로 평행을 유지하는 것을 특징을 하는 흡광도를 이용한 액체시료 분석방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 회전돌기는,
    360°로 회전하고, 시계방향으로 회전하면 상기 상부투명유리의 높이가 상승하고, 반시계방향으로 회전하면 상기 상부투명유리의 높이가 하강하는 것을 특징으로 하는 흡광도를 이용한 액체시료 분석방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 지지부는,
    상기 상부투명유리를 지지하고 숫나사를 포함하는 제1 지지부; 및
    상기 하부투명유리를 지지하고 암나사를 포함하는 제2 지지부를 포함하는 것을 특징으로 하는 흡광도를 이용한 액체시료 분석방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 회전돌기는,
    상기 암나사 사이의 간격이 1㎜인 경우 1° 회전시 1/360㎜로 상기 상부투명유리의 높이를 마이크로미터(㎛) 단위로 조절하는 것을 특징으로 하는 흡광도를 이용한 액체시료 분석방법.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 제1 지지부는,
    상기 숫나사가 상기 회전돌기와 연결되어 서로 연동되는 것을 특징으로 하는 흡광도를 이용한 액체시료 분석방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 측정된 흡광도를 기초로 질량비(W/W fraction)를 산출한 후, 하기 수학식을 이용하여 용질의 양을 산출하는 것을 특징으로 하는 흡광도를 이용한 액체시료 분석방법:
    [수학식]
    Figure 112016026261828-pat00063

    여기서,
    Figure 112016026261828-pat00064
    은 액체시료에 대한 용질의 질량을 의미하고,
    Figure 112016026261828-pat00065
    은 액체시료에 대한 시료의 질량을 의미하며,
    Figure 112016026261828-pat00066
    는 시료에서 차지하는 용질의 질량비를 의미한다.
  8. 액체시료가 상면에 배치되는 하부투명유리;
    상기 배치된 액체시료를 눌러서 측면으로 퍼지게 하는 상부투명유리;
    상기 상부투명유리의 높이를 조절하는 회전돌기;
    상기 회전돌기를 포함하고, 상기 하부투명유리 및 상기 상부투명유리를 지지하는 지지부; 및
    상기 하부투명유리와 상기 상부투명유리의 기 설정된 기준두께를 기초로 기준두께에서의 흡광도를 산출하고, 상기 산출된 흡광도를 기초로 상기 액체시료에 대한 용질의 양을 산출하는 제어부를 포함하는 흡광도를 이용한 액체시료 분석장치를 이용하여,
    액체시료를 하부투명유리의 상면에 배치하는 단계;
    상기 배치된 액체시료를 상부투명유리로 측면으로 퍼지게 하는 단계;
    상기 상부투명유리를 기 설정된 높이로 유지하는 단계;
    상기 액체시료를 스캐닝하여 면적을 측정하는 단계;
    상기 액체시료를 빛으로 조사하여 흡광도(optical density)를 측정하는 단계; 및
    상기 측정된 면적 및 흡광도를 기초로 기 설정된 흡광도와 질량비의 관계식을 이용하여 용질의 양을 산출하는 단계를 포함하는 흡광도를 이용한 액체시료 분석방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 제어부는,
    하기 수학식을 이용하여 상기 기준두께에서의 흡광도를 산출하는 하는 것을 특징으로 하는 흡광도를 이용한 액체시료 분석방법:
    Figure 112016026261828-pat00067

    여기서, ODref는 기준두께에서 액체시료의 흡광도를 의미하고, tref는 액체시료의 기준두께를 의미하며, tmeas는 액체시료의 현재두께를 의미하고, ODmeas는 현재 측정한 액체시료의 흡광도를 의미한다.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 산출된 흡광도를 기 설정된 흡광도와 질량비의 관계식를 이용하여 상기 액체시료에 대한 용질의 양을 산출하는 것을 특징으로 하는 흡광도를 이용한 액체시료 분석방법.
  11. 제1항 또는 제8항에 있어서,
    상기 액체시료의 면적 및 하기 수학식을 이용하여 액체시료의 밀도를 산출하는 하는 것을 특징으로 하는 흡광도를 이용한 액체시료 분석방법:
    Figure 112016026261828-pat00078

    여기서,
    Figure 112016026261828-pat00079
    는 액체시료의 밀도를 의미하고,
    Figure 112016026261828-pat00080
    은 액체시료의 질량을 의미하며,
    Figure 112016026261828-pat00081
    는 액체시료의 부피를 의미하고,
    Figure 112016026261828-pat00082
    는 액체시료의 면적을 의미하며,
    Figure 112016026261828-pat00083
    는 액체시료의 두께 평균을 의미한다.
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