KR101496411B1 - 산소 측정용 미세전극의 보정 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 저서환경 연구 및/또는 저서 미세조류 연구에 사용되는 산소 측정용 미세전극의 보정 방법에 관한 것으로, 해저에 서식하는 저서성 미세조류의 일차생산 영향 연구에 보다 더 적합하도록 미세전극을 보정하는 저서 미세조류 연구용 산소 측정용 미세전극의 보정 방법에 관한 것이다.

Description

산소 측정용 미세전극의 보정 방법{Calibration method for oxygen microelectrode}

본 발명은 저서환경 연구 및/또는 저서 미세조류 연구에 사용되는 미세전극으로 용존 산소 측정용 미세전극의 보정 방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 해저에 서식하는 저서성 미세조류의 일차생산 영향 연구에 보다 더 적합하도록 미세전극을 보정하는 저서 미세조류 연구용 산소 측정용 미세전극의 보정 방법에 관한 것이다.

당업자에게 잘 알려져 있는 바와 같이, 미생물 생태학 분야 및 저서미세조류 분야에서 사용되는 미세전극은 끝의 크기가 1-20 마이크로미터 정도인 바늘 형태로 되어 있고 특정 화합물의 농도를 측정하는 기구이다.

상기 저서미세조류는 해저에 서식하는 저서성 미세조류이며, 미세조류와 관련한 내용은 공개특허번호 10-2007-0056619에 공개되어 있다.

미세전극 끝의 좁은 반응 범위로 인해 바이오필름(biofilm), 플록(floc), 미생물집합체(aggregates), 미생물매트(microbial mats), 퇴적물(sediment) 등에서 국부적인 측정이 가능하다. 미세전극이 시료에 투입되기는 하지만 작은 끝 직경으로 인해 구조나 생물활동에 영향이 적다.

미세전극은 전류측정(amperometric), 전압측정(voltammetric), 전위차측정(potentiometric), 광학측정(optical) 방식 등 네 가지 형태의 미세전극이 있다.

전류측정식 미세전극은 분석 대상 물질의 농도에 비례하여 미세전극 끝에서 일어나는 전기화학적인 산화 또는 환원 반응에 의해 생성된 전류를 측정하는 방식이다. 전류측정식 미세전극에는 산소 측정용 미세전극이 포함된다. 산소 측정용 미세전극 기술은 저서미세조류가 서식하는 퇴적물 수 밀리미터 내에서 일어나는 용존산소 농도 변화를 통해 저서(benthic) 미세조류의 일차생산을 측정하는 기술이다.

한편, 상기 미세전극 중에서 전위차측정 미세전극은 계면(interface)에서의 전하분리(charge separation)에 의해 생성된 미세전극 끝 부분에서의 전기적 전위차 측정에 기반을 두고 있다. 통상적으로 상기 계면(interface)은 이온 선택적 투과막에 의해 형성된다.

상기와 같은 전위차측정식 미세전극에는 피에이치 측정용 미세전극 및 이산화탄소 측정용 미세전극이 포함되며, 이들 미세전극은 액체이온막(Liquid ion-exchanging Membrane, LIX) 미세전극을 기반으로 제작된다.

액체이온교환막 미세전극 테크닉은 세포 내의 다양한 이온 농도의 측정을 위해 세포 생리학자들에 의해 개발되었다. 액체이온교환막 미세전극은 끝 직경을 1 마이크로미터 이하로도 만들 수 있다. 환경내의 많은 매질들이 액체이온교환막 전극에 의해 측정되어 왔다 (예; NH₄ ⁺, NO₃ ^-, NO₂ ^-, H⁺, Ca^{2 +}, CO₂, CO₃ ^{2 -}등). NH₄ ⁺, NO₂ ^-, NO₃ ^- 미세전극은 담수와 조간대 환경에서의 바이오필름과 퇴적물에서 질소 순환 연구에 사용되어 왔고, H⁺, Ca^{2 +}, CO₂ 전극은 최근에 산호초, 유공충, 퇴적물, 미생물 매트 등의 광합성, 석회화, 호흡 등의 연구에 사용되고 있다. 단점은 수명이 수일에 불과하다는 것이다.

상기와 같은 미세전극들, 즉 산소 측정용 미세전극, 이산화탄소 측정용 미세전극 및 피에이치 측정용 미세전극은 다양한 방법으로 제작되며, 종류에 상관없이 제작 후 적절한 보정 과정을 거쳐야 연구용으로 사용할 수 있다.

한편, 선행기술문헌으로는 국내공개특허 제10-2005-0046335호에 생물막내의 이온측정을 위한 이온선택성 미소전극 및 그 제조방법이 개시되어 있다.

[특허문헌] 대한민국 공개특허공보 제10-2005-0046335호 (2005.05.18. 공개)

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 해저에 서식하는 저서성 미세조류의 일차생산 영향 연구에 보다 더 적합하도록 산소 측정용 미세전극을 보정하는 저서 미세조류 연구용 미세전극의 보정 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 산소 측정용 미세전극의 보정 방법은, 산소의 환원반응이 일어나는 작동전극과, 상기 작동전극에 대응하는 기준전극, 전해질로부터 오는 산소가 상기 작동전극에 도달하기 전에 상기 산소를 제거해 주기 위한 보조전극, 상기 작동전극에서 산소가 환원반응을 일으키도록 유리관 내에 충진된 전해질, 및 상기 작동전극, 기준전극 및 보조전극이 내장되며 상기 전해질이 충진되는 외부 케이스를 포함하는 산소미세전극의 보정 방법에 있어서,

퇴적물 무산소층의 산소 농도를 0으로 하는 단계; 공기로 포화된 해수의 전류값을 측정하는 단계; 보정 대상 산소 측정용 미세전극의 전류값과 산소농도를 비교하는 단계; 상기 전류값과 이에 대응하는 상기 산소 농도의 상관관계로 산소농도를 보정하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 공기로 포화된 해수의 산소농도는 윙클러 적정법을 이용하여 구할 수 있다.

본 발명의 산소 측정용 미세전극의 보정 방법에 따르면, 해저에 서식하는 저서성 미세조류의 일차생산 영향 연구에 보다 더 적합하도록 산소 측정용 미세전극을 보정할 수 있다.

도 1 내지 도 3은 각각 본 발명에 따른 보정 방법이 적용되는 이산화탄소 측정용 미세전극, 산소 측정용 미세전극 및 피에이치 측정용 미세전극의 구성도이다.
도 4는 본 발명에 따른 이산화탄소 측정용 미세전극의 보정 방법의 흐름도이다.
도 5는 본 발명에 따른 산소 측정용 미세전극의 보정 방법의 흐름도이다.
도 6은 본 발명에 따른 피에이치 측정용 미세전극의 보정 방법의 흐름도이다.
도 7 내지 도 10은 본 발명에 따른 미세전극의 보정 방법을 설명하기 위한 도면들이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 산소 측정용 미세전극의 보정 방법의 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이며, 종래기술의 구성부재와 동일한 구성부재를 사용하는 경우에는 동일한 부재를 사용할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

먼저, 본 발명에 따른 보정 방법이 적용되는 이산화탄소 측정용 미세전극, 산소 측정용 미세전극 및 피에이치 측정용 미세전극의 각 구성을 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 보정 방법이 적용되는 이산화탄소 측정용 미세전극의 일실시예는, 중탄산염으로 이루어진 전해질(200); 전해질(200)의 이산화탄소 농도 변화에 수반되는 피에이치 변화를 측정하기 위한 액체이온교환막 피에이치미세전극(100); 전해질(200) 및 액체이온교환막 피에이치미세전극(100)을 내장하여 보호하기 위한 외부케이스(300)를 포함하여 구성될 수 있다. 액체이온교환막 피에이치미세전극(100)은 은선(101), 녹색유리관(102), 피에이치미세전극 전해질(104), 액체이온교환막 용액(106), 실리콘 투과막(108)을 포함할 수 있다. 피에이치미세전극 전해질(104)은 염화칼륨과 인산나트륨을 포함하여 구성될 수 있다. 피에이치미세전극(100)의 액체이온교환막 용액(106)은 이오노포어(ionophore), 비활성 용매 및 첨가제를 포함하여 구성될 수 있다. 중탄산염 전해질(200)은 1 밀리몰농도 탄산수소나트륨용액과, 150 밀리몰농도 염화나트륨용액을 제조한 후에 피에이치 8.7-8.9가 되도록 하고, 추가로 탄산무수화효소(Sigma C3934)를 1밀리리터 당 5 밀리그램을 넣고 클로람페니콜(Sigma C0378)을 1밀리리터 당 35 밀리그램을 넣어 제조할 수 있다. 도 1에서 부재번호 12는 에폭시 수지를 나타내며, 16은 Ag/AgCl 기준전극을 나타낸다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 보정 방법이 적용되는 산소 측정용 미세전극(100)은 작동전극(working cathode)(110), 기준전극(anode)(120), 보조전극(guard cathode)(130), 전해질(electrolyte)(140), 외부케이스(outer casing)(150)를 포함하여 이루어질 수 있다. 작동전극(110)은 산소의 환원반응이 일어나는 백금선(112), 백금선(1120)을 둘러싼 녹색유리관(114) 및 녹색유리관(114)을 지지해주는 지지유리관(116)을 포함하여 이루어질 수 있다. 백금선(112)은 직경 45 내지 55 마이크로미터의 백금선을 식삭하여 그 끝을 9 내지 11 마이크로미터 정도로 만든 후에 가는 녹색유리관(114)에 넣어 코팅하여 만들 수 있다. 코팅된 백금선(112)의 끝은 열선을 이용하여 벗겨낸 후에 금 용액에 담가 금 코팅(118)을 한다. 기준전극(120)은 0.25 밀리미터 은선을 1M 염산에 담가 만들 수 있다. 보조전극(130)은 전해질(140)로부터 오는 산소가 작동전극(110)에 도달하기 이전에 제거해주는 역할을 하는데, 0.12 밀리미터 은선(132)을 식삭하고, 그 끝을 10 마이크로미터 정도로 만든 후에 모세유리관에 넣어 만들 수 있다. 전해질(140)은 바람직하게 KCl, K₂CO₃, KHCO₃ 등을 포함하여 구성될 수 있다. 외부케이스(150)는 파스퇴르 피펫 끝을 10 - 15 마이크로미터 정도로 만든 후에 끝에 실리콘을 삽입하여 실리콘막을 만들 수 있다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 피에이치 측정용 미세전극의 보정 방법이 적용되는 피에이치 측정용 미세전극(100)은, 외부 케이스(20), 피에이치 전해질(32), 보호 전해질(34), 액체이온교환막 투과막(40), Ag/AgCl 기준전극(52), Ag/AgCl 신호검출 전극(54), 봉합부로서 에폭시 수지(62, 64)를 포함하여 이루어지고; 내부 유리관(10)은 녹색유리관(12)과 백색유리관(14)으로 이루어지며, 내부에 피에이치 전해질(32)을 포함하며; 내부 유리관(10)과 외부 케이스(20) 사이 공간에는 보호 전해질(shielding electrolyte, 3M KCl)(34)과 Ag/AgCl 기준전극(52)이 포함되고; Ag/AgCl 신호검출 전극(540)은 내부 유리관(10) 내에 배치된다.

상기와 같이 구성된 이산화탄소 측정용 미세전극을 보정하기 위한 본 발명에 따른 보정 방법에는 바람직하게 탄산염 솔루션(Carbonate solution)을 이용하는 보정 방법과 표준 CO₂ 가스를 이용하여 보정하는 방법이 있다.

탄산염 솔루션을 이용하여 이산화탄소 측정용 미세전극을 보정하는 방법은, 도 4에 도시한 바와 같이, 50 mM 인산염 버퍼(phosphate buffer)(fresh water: pH 7.2, sea water: pH 8.2)를 이용하여 200 mM NaHCO₃ 용액을 정해진 낮은 농도에서 순차적으로 넣으면서 측정하는 보정 방법으로, 상기 50 mM 인산염 버퍼(fresh water: pH 7.2, sea water: pH 8.2)를 끓여서 CO₂와 O₂를 정해진 범위에서 최대한 제거한 후에 진공상태에서 식히고(S110), 질소가스로 10분간 주입하여 CO₂가 0인 상태를 만드는 단계(S120)와; 블랭크(Blank)를 측정하고, 200 mM NaHCO₃ 용액 10 ml을 첨가하고 mV가 정해진 값으로 안정될 때 mV를 기록하는 방식으로, NaHCO₃를 20, 40, 80, 160, 320, 640, 1280 ml을 첨가하면서 순차적으로 측정하는 단계(S130)(S140)를 포함하여 이루어진다.

본 발명의 이산화탄소 측정용 미세전극의 보정 방법에서 CO₂의 농도는 Guntelberg 계산법으로 계산할 수 있다.

한편, 상기 이산화탄소 측정용 미세전극 보정 방법을 적용하기 전에 상기 이산화탄소 측정용 미세전극에 대해 90퍼센트 반응시간을 측정하는 과정을 적용할 수 있는데, 상기 90퍼센트 반응시간 측정 과정 및 이산화탄소 측정용 미세전극의 90퍼센트 반응시간에 대해 살펴보면 다음과 같다.

이산화탄소 측정용 미세전극을 포함한 미세전극의 중요한 특징 중의 하나가 빠른 반응속도이다. 반응속도가 빨라야 실시간으로 해당 화합물의 농도를 측정할 수 있기 때문이다. 따라서 제작한 미세전극의 반응속도가 어떠한지 검증할 필요가 있다. 반응속도를 알아보는 지표로 90퍼센트 반응시간(response time)이 사용된다. 90 퍼센트 반응시간이란 낮은 농도에서 높은 농도로 순간적으로 반응시켰을 때 높은 농도의 90 퍼센트에 해당되는 농도에 도달하는 시간을 말한다(도 8 참조).

상기와 같이 정의되는 90퍼센트 반응시간 측정 과정은: 정해진 값의 낮은 공기 농도로 포화된 공기 포화 해수를 준비하는 단계(S101, 도 5); 3퍼센트 이산화탄소 농도로 포화된 3퍼센트 이산화탄소 포화 해수를 준비하는 단계(S102); 상기 이산화탄소 측정용 미세전극을 상기 공기 포화 해수에 담궈 신호를 측정하는 공기포화시 측정 단계(S103); 상기 공기 포화 해수에 담궈진 상기 이산화탄소 측정용 미세전극의 신호가 안정상태가 되면, 상기 이산화탄소 측정용 미세전극을 상기 3퍼센트 이산화탄소 포화 해수에 담그고, 신호를 측정하여 안정상태에 도달하는 신호를 확인하는 3퍼센트 이산화탄소 포화시 측정 단계(S104); 상기 3퍼센트 이산화탄소 포화시 안정 신호값과 상기 공기포화시 안정 신호값의 차이의 90퍼센트에 해당하는 신호값을 찾아서 그때까지 걸린 시간을 90퍼센트 반응시간으로 결정하는 단계(S105)를 포함하여 이루어진다.

그리고, 산소 측정용 미세전극을 보정하기 위한 본 발명에 따른 보정 방법은, 도 6에 도시한 바와 같이, 퇴적물 무산소층의 산소 농도를 0으로 하는 단계(S210); 공기로 포화된 해수의 전류값을 측정하는 단계(S220); 보정 대상 산소 측정용 미세전극의 전류값과 산소농도를 비교하는 단계(S230); 상기 전류값과 이에 대응하는 상기 산소 농도의 상관관계로 산소농도를 보정하는 단계(S240)를 포함하여 이루어진다.

상기한 산소 측정용 미세전극 보정 방법에 있어서, 공기로 포화된 해수의 산소농도는 윙클러 적정법을 이용하여 구할 수 있다.

여기서, 윙클러 적정법은 용존 산소를 측정하는 방식 중의 하나로서, 백색의 수산화제1망간이 수중의 용존산소와 반응하여 용존산소에 대응하는 양만큼 산화되어 갈색의 수산화제2망간으로 되어 산소를 고정하게 되며, 소모된 적정액을 이용하여 용존산소의 농도를 측정하는 방식이다.

또한, 상기 S240단계에 기재된 상관관계(correlation, 相關關係)는 두 변량 중 한쪽이 증가함에 따라 다른 한쪽이 증가 또는 감소할 때 두 변량 사이의 관계를 나타내는 것이다.

도 9에 본 발명에 따른 산소 측정용 미세전극의 보정, 즉 산소 측정용 미세전극의 표준화 과정을 나타내는 것으로서, 용존 산소농도와 산소 측정용 미세전극의 전류값을 비교하는 그래프를 참고로 나타내었다.

또한, 피에이치 측정용 미세전극을 보정하기 위한 본 발명에 따른 보정 방법은, 도 7에 도시한 바와 같이, 피에이치 측정용 미세전극을 피에이치/밀리볼트미터(pH/mV meter)에 연결하여 상기 피에이치 측정용 미세전극에서 일어나는 전압을 측정하는 단계(S310); 상기 피에이치 미센전극을 서로 다른 피에이치(pH) 6, 7, 8, 9, 10 완충용액(Sigma)을 이용하여 보정하는 단계(S320)(S330)를 포함하여 이루어진다.

상기한 피에이치 측정용 미세전극 보정 방법에 있어서, 상기 피에이치 측정용 미세전극이 상기 피에이치 농도 변화에 기울기 45-55 범위에서 선형적으로 반응하는 것을 시료에 적용 가능한 피에이치 측정용 미세전극으로 판정할 수 있다.

도 10에 본 발명에 따른 피에이치 측정용 미세전극의 보정 결과를 보이는 그래프를 나타내 보였다.

지금까지, 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (2)

1. 산소의 환원반응이 일어나는 작동전극과, 상기 작동전극에 대응하는 기준전극, 전해질로부터 오는 산소가 상기 작동전극에 도달하기 전에 상기 산소를 제거해 주기 위한 보조전극, 상기 작동전극에서 산소가 환원반응을 일으키도록 유리관 내에 충진된 전해질, 및 상기 작동전극, 기준전극 및 보조전극이 내장되며 상기 전해질이 충진되는 외부 케이스를 포함하는 산소 측정용 미세전극의 보정 방법에 있어서,
   퇴적물 무산소층의 산소농도를 0으로 하는 단계;
   공기로 포화된 해수의 전류값을 측정하는 단계;
   보정 대상 산소 측정용 미세전극의 전류값과 산소농도를 비교하는 단계;
   상기 전류값과 이에 대응하는 상기 산소농도의 상관관계로 산소농도를 보정하는 단계; 를 포함하고,
   상기 상관관계는 두 변량 중 한쪽이 증가함에 따라 다른 한쪽이 증가 또는 감소할 때 두 변량 사이의 관계를 나타내며,
   상기 공기로 포화된 해수의 산소농도는 윙클러 적정법을 이용하여 구하고,
   상기 작동전극은 상기 산소의 환원반응이 일어나는 백금선, 상기 백금선을 둘러싼 녹색유리관 및 상기 녹색유리관을 지지해주는 지지유리관을 포함하며,
   상기 백금선의 제조 공정은
   직경 45 내지 55 마이크로미터의 백금선을 식삭하여 끝을 9 내지 11 마이크로미터로 만드는 단계;
   상기 식삭된 백금선을 상기 녹색유리관에 넣어 코팅하는 단계;
   상기 코팅된 백금선의 끝을 열선을 이용하여 벗겨내고 금 용액에 담가 금 코팅을 하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 산소 측정용 미세전극의 보정 방법.
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