보고서 정보
주관연구기관 |
전북대학교 산학협력단 Chonbuk National University |
보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
|
발행년월 | 2016-02 |
과제시작연도 |
2015 |
주관부처 |
농촌진흥청 Rural Development Administration(RDA) |
등록번호 |
TRKO201600003297 |
과제고유번호 |
1395040039 |
사업명 |
친환경안전농축산물생산기술 |
DB 구축일자 |
2016-06-25
|
DOI |
https://doi.org/10.23000/TRKO201600003297 |
초록
▼
Ⅳ. 연구개발결과
○ 관련 기술 정보수집 및 분석
- 병원성 대장균 분석을 위한 시료 전처리 방법
● 병원성 대장균을 분석하기 위해 필요한 시료채취 및 전처리 방법과 식품으로부터 미생물 분리 방법에 관하여 알아보았다.
- 병원성 대장균 신속진단 기술 분석
● 병원성 대장균 신속진단 기술 분석을 위해 현재 사용하고 있는 각종 신속진단 방법과 광학 및 전기화학 바이오센서를 분석하였다.
○ 미세 자기장 측정 센서 및 회로 개발
- 미세신호 처리 방법 및 회로 연구
● 미세 신호 획득에 중요한 듀
Ⅳ. 연구개발결과
○ 관련 기술 정보수집 및 분석
- 병원성 대장균 분석을 위한 시료 전처리 방법
● 병원성 대장균을 분석하기 위해 필요한 시료채취 및 전처리 방법과 식품으로부터 미생물 분리 방법에 관하여 알아보았다.
- 병원성 대장균 신속진단 기술 분석
● 병원성 대장균 신속진단 기술 분석을 위해 현재 사용하고 있는 각종 신속진단 방법과 광학 및 전기화학 바이오센서를 분석하였다.
○ 미세 자기장 측정 센서 및 회로 개발
- 미세신호 처리 방법 및 회로 연구
● 미세 신호 획득에 중요한 듀플렉서(duplexer)를 분석하였다.
- 자장의 세기에 따른 신호 감도 변화 측정
● 철 나노입자의 농도 변화에 따른 NMR 신호의 특성을 분석하고자 6 가지 시료를 이용하여 실험을 실시하였다. 연구에 사용된 철 나노입자는 직경이 50 nm인 산화철( iron(II, III) oxide, Sigma Aldrich, USA)을 사용하여 철 입자의 농도가 of 0, 10-3, 10-4, 10-5, 10-6, 그리고 10-7 M 되게 준비하고 철 나노입자가 고루게 분포할 수 있도록 0.7%의 guar gum과 섞어서 시료를 준비하였다.
○ RF 신호 발생 및 처리 소프트웨어 개발
- RF Pulse 발생 소프트웨어
● RF 신호 발생 및 처리 소프트웨어를 이해하기 위해서는 우선 NMR의 원리에 대하여 이해할 필요가 있다. 그리고 RF 펄스 발생에 필요한 인자들에 대하여 알아보았다.
- NMR 시상수 측정 소프트웨어
● NMR 시상수 (T1, T2)를 자기공명 신호로부터 구할 수 있는 소프트웨어 알고리즘을 개발하였다.
○ 초소형 RF 코일 개발 및 자석 설계
- 초소형 RF 코일 설계 및 개발
● 시료로부터 NMR 신호를 얻기 위해 solenoid와 spiral 두 가지 형태의 코일을 분석하였다.
- 자석 선정
● NMR용 자석의 종류의 종류와 특징에 대하여 분석하였다.
- RF 코일을 포함한 프로브 설계
● 프로브 설계에 필요한 공진회로를 분석하였고 이를 바탕으로 RF 프로브를 설계하였다.
○ 액상 시료 처리시스템 개발
- 액상 시료 처리시스템 설계
● 본 연구에서는 대상 미생물(E. coli., H157:O7)과 이물질이 섞인 액상 시료를 효과적으로 처리하는 시스템을 고안하였다.
● 대상 미생물과 결합할 수 있는 항체와 결합된 자기나노입자(magnetic nanoparticle, MNP)를 사용하여 효과적으로 시료로부터 대상 미생물만 추출 할 수 있는 처리시스템을 설계하였다.
○ 시스템 구동 소프트웨어 개발
- 휴대용 OS 분석
● 검출 시스템의 컨트롤러로는 마이컴, 임베디드 OS, 데스크탑 PC등이 사용될 수 있다.
● 본 연구에서는 휴대용 검출 시스템의 구축이 목적이므로 임베디드 OS를 채택한 컨트롤러를 구성하고자 하였다.
● 임베디드 시스템의 특징은 특정한 기능에 부합하는 최적화 설계가 가능하며, 소형/경량/저가의 저전력 시스템 구축이 가능하고 열악한 환경에서도 운영 안정성이 우수한 RTOS(Real-time OS)이다.
● 현재 임베디드 시스템의 응용분야로는 정보가전, 제어분야, 정보기기, 네트워크기기, 게임기기, 항공/군용, 차량/교통 등 거의 모든 산업분야에 적용되고 있는 기술이다.
- 시스템 구동 소프트웨어 설계 및 개발
● 구동 OS는 소형 임베디드 시스템에 적합한 것을 고려 대상으로 하였다.
● 본 연구에서 개발된 초소형 RF 코일을 이용하여 미생물 측정을 위한 NMR 신호를 측정하기 위해 RF 펄스를 발생하고 발생된 NMR 신호를 얻기 위해 USB 타입의 Pulse generator를 구동하기 위하여 SpinCore사에서 제공하는 SpinAPI 64bit 리눅스 버전 드라이버를 사용한다.
○ 미량 대장균 검출 휴대용 NMR 시스템 통합
- 하드웨어 통합
● 미생물 자기공명 센서 시스템은 자기공명 신호를 얻기 위해 RF펄스를 발생하고 시료로부터 발생한 자기공명 신호를 검출하는 RF 프로세서, 시료 주위에 균일한 자장을 형성시키는 자석, RF펄스를 시료에 투사하고 시료로부터 발생한 신호를 획득하는 프로브 및 미약한 자기공명 신호의 신호 전ㆍ후처리에 필요한 장치로 구성하였다.
- 소프트웨어 통합
● 자기공명 센서 시스템을 구동하기 위해서는 자기공명 센서를 제어하는 제어기 구동 소프트웨어, 자기공명 장치에 적절한 RF 펄스를 발생하고 얻어진 자기공명 신호를 얻을 수 있는 RF 프로세서를 제어할 수 있는 소프트웨어, 얻어진 자기공명 신호를 분석하는 소프트웨어, 그리고 사용자가 전문적인 경험 없이 편리하게 자기공명 센서 시스템을 사용할 수 있게 하는 사용자 인터페이스가 필요하다.
- NMR 시스템 통합
● 상기 RF프로세서의 제어와 시스템 운영 소프트웨어를 탑재하기 위한 검출 시스템의 컨트롤러, 사용자 인터페이스를 위한 터치 스크린을 구비한 통합 시스템을 개발하였다.
○ 미량 대장균 검출 휴대용 NMR 시스템 성능평가
- 시스템 작동 시험 및 최적 NMR 작동 파라미터 선정
● 개발된 자기공명 센서 시스템을 이용하여 작동 특성과 자기공명 실험을 실시하기 위해 기본적인 최적 NMR 작동 인자를 실험을 통하여 얻었다.
- 나노자기입자를 이용한 시스템 성능평가
● 얻어진 최적의 NMR 작동 인자를 이용하여 자기나노입자를 이용하여 시스템 성능평가를 실시하였다.
Abstract
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IV. RESULTS OF THE R&D
○ Analysis of current pathogenic microorganism detection techniques
- Sample preprocessing methods
● Study on the sample acquisition and preprocessing
● Study on the microorganism separation methods
- Fast detection techniques
● Study on the various fast path
IV. RESULTS OF THE R&D
○ Analysis of current pathogenic microorganism detection techniques
- Sample preprocessing methods
● Study on the sample acquisition and preprocessing
● Study on the microorganism separation methods
- Fast detection techniques
● Study on the various fast pathogenic microorganism detection methods, and optical and electrochemical biosensors
○ Development of magnetic signal detection circuit and senor
- Study on the magnetic signal processing and circuits
● Analysis of signal duplexer
- Study on the signal variations according to magnetic field strength
● Study on the iron nanoparticles
● NMR relaxometry was performed to examine the NMR properties of iron nanoparticle mixtures with different concentrations using a 1 T permanent magnet magnetic resonance imaging (MRI) system.
● Exponential curve fitting (ECF) and inverse Laplace transform (ILT) methods were used to estimate NMR relaxation time constants, T1 and T2, of guar gum solution with different iron nanoparticle concentrations of 0, 10-3, 10-4, 10-5, 10-6, and 10-7M.
● The calculated values by the ECF and ILT methods do not show big difference in value. Also it shows that the ILT method is a comparable method to the classical ECF method and more sensitive to the presence of iron nanoparticles when we analyze NMR relaxation data.
● This study also shows that the spin-spin relaxation time constants acquired by a Carr-Purcell-Meiboom-Gill (CPMG) pulse sequence are more useful for determining the concentration of iron nanoparticle solution compare to spin-lattice relaxation time constants acquired by an inversion recovery pulse sequence. We can conclude that NMR relaxometry utilizing a CPMG pulse sequence and ILT analysis is more suitable to detect foodborne pathogens bound with magnetic nanoparticles in agricultural and food products.
○ Development of radio-frequency(RF) signal generation and processing software
- RF pulse generation software
● Study on the parameters generation RF pulse sequences
● Development of RF signal generation software
- NMR time constant measurement software
● Study on the NMR time constant mechanism
● Development of NMR time constant measurement algorithm
○ Development and design of small RF coil
- Small RF coil design
● Study on the coil design about solenoid and spiral types
- Magnet selection
● Study on the characteristics of NMR magnet types
- RF probe design
● Analysis of RF resonant circuit
● Design of RF probe
○ Development of liquid sample processing system
- Design of liquid sample processing system
● Study on the liquid sample processing system separating microorganism from liquid sample mixture
● Design of target microorganism combined with magnetic nanoparticle (MNP) separation device
○ Development of system operation software
- Analysis of embedded software
● Analysis of various controller
● Analysis of various embedded controller and operating software
- Design and development of system operation software
● Intel controller and industrial PC was selected
● Windows7 embedded was selected as a system OS
○ Integration of a portable nuclear magnetic resonance (NMR) system detecting microorganism
- Hardware integration
● A portable NMR sensor system consisted of an RF pulse generation and detection device, a permanent magnet, NMR signal processing devices, an RF probe, and a system controller with a monitor was developed
- Software integration
● To operate the developed NMR sensor system, system operation software, RF pulse generation and processing software, NMR signal analysis software, and graphical user interface(GUI) was developed
- NMR system integration
● The developed hardware and softwares were integrated
● The developed system was operated by GUI.
○ Performance test of a portable nuclear magnetic resonance (NMR) system detecting microorganism
- System operating test and selection of optimal NMR parameters
● The developed system was tested to operate at optimal condition
● Frequency shift and phase variation tests were performed
● Various NMR signal generation parameters were selected
- Performance test with iron nanoparticles
● Optimal NMR signal generation parameters were selected
● Performance test was performed with iron nanoparticle solutions
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