새로운 디자인의 마이크로유체 감지기는 가둬지지 않은 물의 흐름을 액체 속의 위험한 화학물질과 박테리아를 시험하는 간단하고 저렴한 방법으로 이용한다.

ACQUASENSE라는 연구프로젝트로 이탈리아에서 개발된 이 오염물 검출기는 오늘날의 진보적인 물 검사 장치에 쓰이는 채널 벽을 없앴다. 그러한 장치들은 배경잡음을 발생시킬 수 있어서 명확한 판독을 어렵게 만든다. 그 대신 이번 장치는 튜브나 파이프에 의해 가둬지지 않은 물의 좁은 흐름을 이용하며, 물 제트는 시료와 채집장비의 두 역할을 겸한다. “이 감지기의 혁신적인 면모는 빛을 수집하는데 쓰이는 단순하고도 교묘한 방법과 관련 있다. 그것은 물의 흐름”이라고 이탈리아 국립연구위원회 IREA(Institute for Electromagnetic Sensing of the Environment)의 지안루카 페르시체티(Gianluca Persichetti)는 말했다.

전형적인 마이크로유체 검출기들은 형광 유기 혼합물로 물 시료를 붙잡고 조종하는 좁은 채널에 의존한다. 그러나 물속의 박테리아와 화학물질을 비추는 레이저 빛은 채널 벽도 비추기 때문에, 레이저 빛이 산란되어 형광 오염물질과 배경잡음 사이의 구별을 모호하게 만든다. 벽의 마모 또한 이러한 기구를 이용하여 수행된 측정의 신뢰성을 약화시킨다. 이런 방식 대신, 페르시체티와 동료들은 간단히 그러한 것들을 제거하기로 결정했다. 이번 새 기술에서는 물 시료를 노즐을 통해 초당 1.4미터로 펌핑하여 직경이 1밀리미터보다 작은 좁은 흐름을 만든다. 그런 뒤 그들은 노출된 물 제트 위로 UV 레이저를 비춘다. 오염물질과 박테리아에서 발생된 형광 빛이 주위로 튀어나와 제트 내부에 포획되고, 제트는 도파로의 역할을 함으로써 빛이 물 흐름을 통해 전달되도록 만든다.

레이저 광은 신호를 흐리게 만들 수 있는 배경 잡음원이기도 하므로, 물 흐름에 수직인 각도로 레이저 빔을 발사함으로써 제트에 포획된 빛의 양을 최소화했다고 페르시체티는 말했다. 16mm를 진행한 뒤, 제트는 형광 빛 신호를 수집하는 광섬유를 포함하는 작은 파이프 속으로 들어간다. 물은 거꾸로 펌핑되어 노즐을 통해 재순환됨으로써, 소량의 시료조차도 긴 시간 동안 분석할 수 있게 된다.

연구진은 지하수의 주요 오염물질들 중 일부인 벤젠, 톨루엔, 크실렌과 같은 토양 오염물질과 타르와 석유에서 발견되는 유해 발암성 화학물질인 다환 방향족 탄화수소(polycyclic aromatic hydrocarbons)를 다양한 양으로 이 장치로 시험하였고, 이 장치가 극도로 민감하다는 것을 발견했다. 이 장치는 EPA(Environmental Protection Agency)가 허용하는 것보다 더 낮은 수준의 오염물질도 검출할 수 있었다. 또한 이 장치는 탄저병을 유발하는 것과 비슷한 유해 박테리아인 고초균(Bacillus subtilus)도 감지할 수 있었다.

현재의 장치에는 특정 화학물질의 광학적 특징을 측정하는 분광계가 달려 있다. 연구진은 향후 물 안전성 검사 분야에서 상용화하기 위해서, 레이저를 LED로 바꾸고 분광계를 더 간단하고 덜 값비싼 구성으로 대체하여 이 장치를 더 저렴하고 작게 제작할 계획이다. 그러한 구성에는 신호를 검출하기 위해 원치 않는 배경 광을 제거하는 필터와 빛을 전기로 바꾸는 광다이오드가 포함될 것이다. 물 안전 분야 외에도, 미래의 장비는 다양한 화학물질이나 생의학연구용 박테리아 세포들을 구별하기 위한 더욱 정교한 감지기로 설계될 수 있다고 페르시체티는 말했다.

 

 

 

 

 

NAPLES, Italy, Oct. 15, 2013 — A microfluidic sensor with a novel design uses unconfined streams of water as a simple, cheap way to test for dangerous chemicals and bacteria in liquid.

 

The pollutant detector, developed in Italy within the framework of the research project ACQUASENSE, forgoes the walls of channels used in today's more advanced water testing devices, which can produce background noise that makes getting a clear reading difficult. Instead, it favors a narrow stream of water unconfined by tubes or pipes, with the water jet doubling as both the sample and the collection equipment.

 

"The innovative aspect of this sensor is related to the simple and tricky way used to collect the light — a water stream," said Gianluca Persichetti of the Institute for Electromagnetic Sensing of the Environment (IREA), National Research Council, (CNR) in Italy.

 

Typical microfluidic detectors rely on narrow channels to hold and control the water samples with their fluorescing organic compounds. But the laser light that illuminates bacteria and chemicals in the water also shines on the channel walls, where it scatters and obscures the distinction between the fluorescing contaminants and their background. Wear and tear on the walls also weakens the reliability of measurements made using these instruments.

 

Instead, Persichetti and his colleagues in the group led by Romeo Bernini decided simply to do away with them. In their new technique, they pump the water sample through a nozzle at 1.4 meters per second, producing a narrow stream that is less than a millimeter in diameter. Then they shine a UV laser onto the exposed jet of water. The fluorescent light produced by the pollutants and bacteria bounces around and is trapped inside the jet, which acts as a waveguide, channeling light through the stream.

 

The laser light is also source of a background noise that can cloud the signal, Persichetti said, so the amount of light that gets trapped in the jet was minimized by firing the laser beam at an angle perpendicular to the water stream.

 

After traveling 16 mm, the jet enters a small pipe containing an optical fiber, which collects the fluorescent light signals. The water is pumped back to recirculate through the nozzle, allowing the instrument to analyze even a small sample for an extended period of time.

 

The device was tested with varying amounts of some of the main pollutants of ground water - soil contaminants such as benzene, toluene, and xylene (together called BTX), and polycyclic aromatic hydrocarbons, which are hazardous, carcinogenic chemicals found in tar and petroleum. Persichetti and colleagues found that the device was extremely sensitive: It could detect pollutant levels even lower than those allowed by the Environmental Protection Agency (EPA). The instrument could also sense Bacillus subtilus, a harmless bacterium similar to the one that causes anthrax.

 

The current device is fitted with a spectrophotometer to measure the optical signatures of specific chemicals. To make the device even cheaper and smaller for future commercialization in water-safety testing, the researchers plan to replace the laser with an LED and to replace the spectrophotometer with a simpler and less expensive setup that would include a filter to remove unwanted background light, and a photodiode, which converts light into electricity, to detect the signal.

 

In addition to water-safety applications, Persichetti said, future instruments can be designed with more sophisticated sensors to distinguish between a variety of chemicals or bacterial cells for biological and medical research.

 

The paper, “High sensitivity UV fluorescence spectroscopy based on an optofluidic jet waveguide,” appears in Optics Express.