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문제 정의
- 본 연구에서는 이와 같은 Stern-Volmer 방정식을 구하기 위하여 in-situ 보정 실험을 수행하였다. 증류수 200 ml에 25 mg/ml의 농도로 ruthenium을 용해한 수용액을 준비한 후, 용존산소 계측기의 센서(YSI 550A, 오차 범위 ±2%)를 수용액 내부에 고정하고 자석 교반기를 작동시키면서 지속적으로 용존 산소 농도의 변화를 측정하였다.
제안 방법
- 대표적 산소 지표 물질인 ruthenium과 μ-LIF 기법을 이용하여 Y형 미세 채널 내부에서 산소 가스와 액상의 물 사이의 경계면에서 발생하는 산소 전달 현상을 정량적으로 가시화하는 데 성공하였다.
- 산소와 물의 경계면에서 산소 전달현상을 정확하게 측정하기 위해서는 미세채널 내부에서 만나는 시점부터 시작해서 시간에 따른 형광 이미지를 획득해야 하지만 실제 실험에서는 미세채널 내부에서 유동이 멈추는 순간까지 기다렸다가 그 시점부터 이미지를 저장하기 때문에 시작 시점은 경계면을 통해 어느 정도의 물질전달 과정이 진행된 이후가 된다. 따라서 본 연구에서는 경계면을 통해 물질전달이 시작되고 난 후 임의의 순간을 시작 시점으로 하여 그 후 10초 동안의 용존 산소 농도 변화를 측정하여 산소 전달률과 확산 계수를 계산하였다.
- 본 연구에서는 μ-LIF 기법을 이용하여 Y형 미세채널 내부에서 산소 가스와 0%의 용존 산소 농도를 가지는 물이 형성하는 경계면에서의 산소 전달 현상을 정량적으로 가시화하였다.
- 일반적인 μ-LIF 기법 적용을 위해 도립형 형광현미경(Olympus, BX51) 을 사용하였으며, 450 nm 파장의 빛을 방출하는 LED(Titan, TIUV-ZOOM)를 이용하여 미세 채널 내부로 조사하였다.
- 증류수 200 ml에 25 mg/ml의 농도로 ruthenium을 용해한 수용액을 준비한 후, 용존산소 계측기의 센서(YSI 550A, 오차 범위 ±2%)를 수용액 내부에 고정하고 자석 교반기를 작동시키면서 지속적으로 용존 산소 농도의 변화를 측정하였다.
- 획득된 농도별 100장의 이미지는 Yoon and kim 이 미세 채널 내부에서의 혼합현상에 의한 농도분포를 구하기 위해 이용한 pixel by pixel 보정 기법을 적용하여 조사 광원의 불균일성에 의한 보정 오차를 최소화하였으며, 이때 μ-LIF측정의 공간 해상도는 0.625 μm 수준이었다(9).
- 보정 실험이 완료된 후 기상과 액상의 경계면에서 산소 전달 현상을 가시화하기 위해 Y형 미세 채널의 한쪽 주입구로는 순수 산소 가스를 다른 쪽 주입구로는 0%의 용존 산소 농도를 가지는 물과 ruthenium의수용액을 1 mL/min의 유량으로 주입하다가 정지시킨 후, 보정 실험에서와 같은 촬영 속도인 10 fps(frame per second)로 10초 동안 100장의 이미지를 획득하였다. 획득된 이미지와 보정 함수를 이용하여 최종적으로 유동 공간 단면에서의 용존 산소 농도장을 정량적으로 가시화하였다.
대상 데이터
- 일반적인 μ-LIF 기법 적용을 위해 도립형 형광현미경(Olympus, BX51) 을 사용하였으며, 450 nm 파장의 빛을 방출하는 LED(Titan, TIUV-ZOOM)를 이용하여 미세 채널 내부로 조사하였다. LED에 의해 여기(excited)된 후 방출되는 형광 이미지를 획득하기 위해 20배 배율의 대물렌즈(Olympus, LUCPlan FL N, N/A=0.45)와 CMOS 고속 카메라(PCO, 1200hs, 1024x1280, 10bit)를 사용하였다. 실험에서 산소 농도 지표 물질로 사용된 Tris(2, 2'-bipyridine) ruthenium (II) Chloride Hexahydrate (Sigma Aldrich)의 최대 형광 파장이 607 nm인 것을 고려하여 대물렌즈와 카메라 사이에 590 nm의 고역통과 필터를 설치하여 이미지 잡음을 최소화하였다.
- 보정 실험이 완료된 후 기상과 액상의 경계면에서 산소 전달 현상을 가시화하기 위해 Y형 미세 채널의 한쪽 주입구로는 순수 산소 가스를 다른 쪽 주입구로는 0%의 용존 산소 농도를 가지는 물과 ruthenium의수용액을 1 mL/min의 유량으로 주입하다가 정지시킨 후, 보정 실험에서와 같은 촬영 속도인 10 fps(frame per second)로 10초 동안 100장의 이미지를 획득하였다. 획득된 이미지와 보정 함수를 이용하여 최종적으로 유동 공간 단면에서의 용존 산소 농도장을 정량적으로 가시화하였다.
- 실험에 적용된 Y형 미세채널의 폭은 400 μm이고 높이는 75 μm이며, 채널의 표면으로부터의 산소 투과를 방지하기 위해 유리를 이용하여 리소그래피와 식각공정을 통해 제작되었다.
- 실험에서 산소 농도 지표 물질로 사용된 Tris(2, 2'-bipyridine) ruthenium (II) Chloride Hexahydrate (Sigma Aldrich)의 최대 형광 파장이 607 nm인 것을 고려하여 대물렌즈와 카메라 사이에 590 nm의 고역통과 필터를 설치하여 이미지 잡음을 최소화하였다.
- 이와 같은 과정을 거쳐 준비된 시료들은 유리 주사기(Hamilton, 1 ml)와 주사기 펌프(KDS Scientific, KDS270)를 통해 미세 채널로 주입되었으며, 미세 채널에 시료가 완전히 주입된 후 주사기 펌프를 정지시키고 채널 내부의 유동이 정지된 상태에서 초당 10장의 이미지 획득 속도로 10초간 100장의 이미지를 획득하였다. 획득된 농도별 100장의 이미지는 Yoon and kim 이 미세 채널 내부에서의 혼합현상에 의한 농도분포를 구하기 위해 이용한 pixel by pixel 보정 기법을 적용하여 조사 광원의 불균일성에 의한 보정 오차를 최소화하였으며, 이때 μ-LIF측정의 공간 해상도는 0.
- 증류수 200 ml에 25 mg/ml의 농도로 ruthenium을 용해한 수용액을 준비한 후, 용존산소 계측기의 센서(YSI 550A, 오차 범위 ±2%)를 수용액 내부에 고정하고 자석 교반기를 작동시키면서 지속적으로 용존 산소 농도의 변화를 측정하였다. 증류수 내부의 용존 산소 농도를 조절하기 위한 시약으로는 Na2SO4(Sigma Aldrich, sodium sulfite)를 사용하였다. 이때 온도 변화에 의한 형광 강도 변화를 최소화하기 위해 증류수가 담긴 플라스크 주위에 항온조를 설치하여, 수용액 온도를 18℃±0.
- 해석을 위해 설정된 좌표축의 원점은 경계면이 시작되는 부분으로 y축 방향으로 용존 산소 농도 변화가커서 1차원적인 확산 현상을 해석하기에 쉬운 지점으로, CMOS 이미지 센서에서(425, 260)에 위치하는 화소이다. Fig.
데이터처리
- 본 연구에서는 μ-LIF 기법을 이용하여 Y형 미세채널 내부에서 산소 가스와 0%의 용존 산소 농도를 가지는 물이 형성하는 경계면에서의 산소 전달 현상을 정량적으로 가시화하였다. 또한, 시간에 따른 산소 농도 분포 측정 결과를 Fick`s law에 기초한 이론값과 비교하였으며, 이 결과들을 바탕으로 산소의 확산 계수를 근사하여 기존 연구 결과와 비교하였다.
이론/모형
- 2%였다. 경계면 농도 CS와 체적 농도 CL은 다음 장에 설명할 Fick`s law를 이용한 이론적 확산 방정식을 계산할 때 필수적인 경계조건값으로 이용되었다.
성능/효과
- 1초 지난 순간의 미세채널 내부에서의 순간 형광 강도 분포를 나타낸 이미지와 함께 해석을 위해 이미지 위에 설정된 가상의 좌표계를 보여 주고 있다. Y형 미세채널 내부에서 순수 산소 가스와 ruthenium과 물이 혼합된 수용액이 만나는 부분에서 경계면이 형성되는 것을 볼수 있으며, 경계면을 중심으로 아래쪽 영역에 산소에 의한 형광 감쇄 효과로 형광 강도가 낮아져 상대적으로 어둡게 나타나는 부분이 존재하는 것을 확인할 수 있다. 한편 경계면에서 산소에 의한 형광 약화 (fluorescence quenching) 원리에 부합되지 않는 상대적으로 형광 강도가 높게 나타나는 부분이 있는데, 이 부분은 액상과 기상의 경계면에서 물의 표면장력에 의해 구면 형상의 경계면을 형성하기 때문에 형광이 중첩되어 형광 강도가 높게 나타난 것으로 생각하며, 이 영역의 데이터는 차후 정량적인 해석 과정에서 무시하였다.
- 산소 농도가 증가하는 30~120 μm구간을 선형적으로 보간한 결과 경계면에서의 포화 용존 산소 농도(saturated dissolved oxygen concent -ration) CS는 484.4%였고, 120 μm이후의 구간에서 체적 농도(bulk concentration) CL은 16.2%였다.
- 2는 pixel by pixel calibration을 사용하여 얻어진(500, 200) 번째 화소에서의 Stern -Volmer 플롯의 실험값과 그 값을 선형 보간한 결과를 보여주고 있다. 선형 보간한 결과 KSV 는 0.466이었으며, LED 광원의 시간에 따른 불균일성과 용존 산소 농도 센서의 오차 때문에 보간 결과와 측정값에 차이가 발생하기는 하지만 선형적인 관계가 성립하는 것을 확인할 수 있다.
- 용존 산소 농도분포의 측정결과를 바탕으로 Fick's law를 이용하여 물속에서의 산소 확산 계수를 계산한 결과 기존 알려진 값 1.97×10-9 m2/s과 근사한 2.0675×10-9 m2/s 수준임을 확인하였다.
- 이러한 과정을 거쳐 y축을 따라 470번째 화소에서부터 600번째 화소까지 131개의 화소에 대해 확산 계수를 근사하고 산술 평균한 결과 t0=1.13초, 확산 계수는 2.0675×10-9 m2/s로 계산되었으며, 이 값은 20℃ 물에서의 확산 계수로 알려진 1.97×10-9 m2/s 유사하다.
- 대표적 산소 지표 물질인 ruthenium과 μ-LIF 기법을 이용하여 Y형 미세 채널 내부에서 산소 가스와 액상의 물 사이의 경계면에서 발생하는 산소 전달 현상을 정량적으로 가시화하는 데 성공하였다. 측정결과 시간이 경과함에 따라 경계면을 통해 산소가 전달되는 것을 관찰할 수 있었으며, 용존 산소 농도분포를 측정할 수 있었다.
후속연구
- 이러한 차이는 앞서 언급한 경계면에서의 이미지 잡음으로 경계면에 가까울수록 용존 산소 농도 분포에서 섭동이 크게 나타나며, 결과적으로 경계조건인 CS 값이 정확하게 측정되지 않았기 때문에 발생하는 것으로 생각한다. 따라서 경계면 오차를 줄이기 위해서는 미세 채널의 높이를 최소화하여 경계면 잡음을 없애는 등의 추가적인 연구가 필요하다.
- 그러나 마이크로 스케일에서 액상과 기상 유체의 경계면에서 물질 전달 현상을 측정하기 위한 연구는 시도되지 않았으며, 여러 가지 마이크로 바이오 반응기에서 산소 공급을 위해 기상의 산소와 액상의 유체 사이에서의 물질 전달을 이용하고 있다는 점을 고려하면, 액상과 기상의 경계면에서 물질 전달 특성을 규명하는 것은 필수적이라고 할 수 있다. 또한, 마이크로 스케일에서 시간에 따른 액상과 기상 사이의 용존 산소 농도변화를 측정할 수 있다면 국부적인 물질 전달 계수는 물론 마이크로시스템의 특성에 따른 시스템 전체에서의 물질 전달 계수를 근사할 수 있으며, 이러한 결과들은 마이크로시스템을 설계하고 평가하는 데 중요한 정보로 활용될 수 있다.
- 0675×10-9 m2/s 수준임을 확인하였다. 또한, 무차원화된 용존 산소 농도분포의 실험 결과와 이론적 계산 결과를 비교하여 유사한 분포를 나타내는 것을 확인하 였으나 더욱 정확한 비교를 위해서는 추가 연구가 필요하다.
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