STEAM R&E 연구결과보고서

(1)

STEAM R&E 연구결과보고서

(형광반응을 이용한 휴대용 위생검사기 제작 및 활용)

2016. 11. 30.

유성고등학교

< 연구 결과요약 >

과 제 명

형광 반응을 이용한 휴대용 위생검사기 설계 및 제작

연구목표

l 음식물의 형광반응을 이용하여 , 조리실이나 식당 등 음식을 다루는 장소 에서 편하게 이용할 수 있는 , 휴대용 위생검사기 설계 및 제작 l 제작된 휴대용 위생검사기로 , 육안으로 보이지 않는 유기 잔류물을 검출

함으로써 , 세균 증식을 막는 방법으로 활용

연구내용

◾형광반응의 원리 심화학습

특정 물질의 경우 높은 에너지의 빛을 받아 들뜬 상태가 되어 높은 에너지 준위가 된 후 작은 차이의 에너지 준위로 차근히 내려오며 빛을 방출하는 데 걸리는 시간이 오래 걸리는 물질이 있다. 이런 물질의 경우 시간이 지난 후 방출할 때 낮은 에너지의 빛은 방출하며 이러한 빛의 방출을 형광이라고 한다

◾각 식재료에 따른 대한 형광 데이터베이스를 분석

충남대학교 연구실의 Flourescence Spectrometer FS-2라는 X선 형광 분석기를 사용하여 분석하였다.시료를 넣고 200nm부터 900nm까지 5nm간격의 빛을 방사하여 그에 대한 각 파장의 반응을 조사하였다.

◾각 식재료에 따른 대한 형광 데이터베이스를 분석

음식물의 성분에 따라, 형광을 내기에 적합한 광원 탐색결과 콩기름의 형광반응이 365nm의 빛을 비출 경우 425nm의 파란 빛을 방출 한다는 것을 알아냄. 나머지 곰팡이와 세제의 경우 형광반응이 미약하여 검출하기가 어려움.

그림 4 콩기름의 형광반응 분석그래프 그림 4 콩기름의 형광반응 분석표 그림 1 형광분석 장치 사용 그림 2 형광 분석결과 확인

(2)

연구내용

◾위의 형광반응에 따라 365nm의 빛을 내는 광원을 가지고 현장 적용형 휴대용 형광 영상 검출기를 설계 , 제작함.

그림 5 광원을 이용한 형광검출을 위한 재료

그림 6 미세한 콩기름이 떨어졌을 때 광원을 쪼여준 결과

연구성과

◾조리실이나 식당 등 음식을 다루는 장소에서 육안 검사가 어려운 유기 잔류물을 검출할 수 있는 휴대용 위생검사기를 설계 , 제작하여, 이를 통해 위생검사를 실시하여 문제가 심각한 식중독이나 , 조리실이나 식당에서 발생할 수 있는 사고를 미리 예방할 수 있다 .

◾휴대용이므로 , 언제든 쉽게 결과를 나타낼 수 있어, 사고발생을 사전에 차단하여 학교 급식에 대한 학생들의 신뢰도를 향상시키고 학생들에게 건강한 급식을 제공한다 .

◾학교에서 뿐 아니라 야외활동 및 대규모 위생점검이 불시에 필요한 상황 에서도 이를 활용하면 적은 비용과 시간으로 문제를 해결할 수 있다 .

주요어

(Key words)

식중독 , 위생검사, 형광, 휴대용 검사기

< 연구 결과보고서 >

1. 개요

□ 연구목적

○

식품의약품 안전처는 2010년부터 2015년까지 식중독 환자 중 학교에서 발생한 사건의 비율이 48%

(2010년)에서 56% (2014년)까지 꾸준히 증가해 왔다고 밝혔다. 계절별로는 8월에 가장 많은 환자가 발생 하였는데, 2010년부터 2014년까지 총 4,676명의 식중독 환자가 발생하였다. 식중독에 대한 인식이 날로 중요해지고 있는 가운데 작년 여름 우리 학교와 주변 학교에서도 식중독 문제가 발생하여 문제가 되었던 적이 있었다. 그 사건으로 인해 급식실 사용 불가는 물론 수업 단축과 아이들의 급식실 신뢰도 하락과 같은 문제들이 잇따라 발생 하였다.

우리들은 이 상황을 보며 왜 이런 일이 일어났고 어떻게 하면 이러한 일을 사전에 막을 수있을까?

라고 생각을 하고 연구를 시작하였는데, 간이 위생 점검 장치를 만들어 손쉽게 위생 상태를 점검해 식중독과 같은 위생문제를 사전에 예방하면 어떨까? 라는 생각을 하게 되었다. 우리는 식중독에 관해 알아보던 중 오염물질보다 더 위험한 것은 육안으로는 보이지 않지만, 미생물이 자랄 수 있는 공간을 제공해 주는 오염물질이라는 점과 그러한 오염물질은 검사하기가 굉장히 힘들다는 것을 알게 되었다. 따라서 이러한 ‘육안으로 관찰 불가능한 오염물질’을 확인하는 방법으로 빛을 사용하게 되었다.

또한, 손쉽게 위생 상태를 점검해 식중독과 같은 위생 문제를 사전에 예방할 수 있는 방법에 관해 생각해 보게 되면서, 간이 위생 점검 장치를 만들어야겠다는 목표를 삼게 되었으며 이를 위한 과학적 방법에 대해 찾게 되었고 이러한 생각을 바탕으로 단순한 간이 위생 점검 장치만이 아니라 실제 급식실과 대규모 음식 행사장과 같은 곳에서 현실적으로 손쉽고 정확히 사용 가능한 위생 점검 장치를 만들기 위한 과학적 원리를 찾기 위하여 여러 식중독에 관한 논문을 찾아보게 되었다.

본 연구의 목적은, 식재료와 잔류물에 따라 발생하는 형광 반응을 심화학습, 연구하고, 조리실이나 식당 등 음식을 다루는 장소에서 육안 검사가 어려운 유기 잔류물을 검출할 수 있는 휴대용 위생 검사기를 설계, 제작하고 실생활에 간편하게 사용할 수 있도록 하여 식중독을 예방하고 위생 안전을 지키는 데 그 목적이 있다.

□ 연구범위

○

형광반응을 이용한 광학연구이며 그 중에서도 주방에서 많이 쓰이는 각 식재료에 대한 형광 반응 데이터베 이스를 분석하고 이를 활용한 검출기를 만드는 연구이다

.

2. 연구 수행 내용

□ 이론적 배경 및 선행 연구

가. 형광물질의 특징

특정 물질의 경우 높은 에너지의 빛을 받아 들뜬 상태가 되어 높은 에너지 준위가 된 후 작은 차이의 에너지 준위로 차근히 내려오며 빛을 방출하는 데 걸리는 시간이 오래 걸리는 물질이 있다. 이런 물질의 경우 시간이 지난 후 방출할 때 낮은 에너지의 빛은 방출하며 이러한 빛의 방출을 형광이라고 한다.

(그림8 형광의 원리 참조).

(3)

이러한 형광은 물질마다 다른 특성을 보이는 데 특히 유기물질의 경우 형광의 성질을 가진 경우가 많아 유기물의 검출에 좋은 특징을 보인다. 이에 따라 형광을 활용한 예로는 지폐의 진위여부 감별, 대장균 형광측정, 화장실 오염물질 검출기 등이 이미 활용되고 있으며 본 연구에서 측정하고자 할 식재료 잔류물의 경우에도 대다수가 유기물질이라는 점에서 형광의 활용가능성이 높다고 판단하였다.

나. 형광물질의 선행연구

형광을 활용한 선행연구를 살펴보던 중 농.식품 비파괴 측정 분야 전문가를 검색하였고, 충남대학교 바이오시스템 기계공학과 조병관 교수의 논문 (도계육 표면 내장 잔유물 오염 검사를 위한 형광 조사 및 방출파장 선정에 관한 연구)를 참고하게 되었다. 이 논문은 계장 도축작업 중 발생하는 내장 잔유물을 검출하는데 형광을 활용하는 연구로써 눈에 보이지 않는 오염물질의 형광측정의 가능성에 확신을 가질 수 있었던 논문이다.

□ 연구주제의 선정

학생들이 눈에 보이지 않는 유기물질을 찾는 방법에 대해 고민하던 중 TV에서 방영하는 CSI를 보게 되었다. CSI에서는 아래 그림과 같이, 현장의 잠재 지문, 혈흔 같은 단서를 찾을 때 형광분석을 이용한다.

이는 형광반응이 일어나지 않는 무기재료와는 달리 지문, 혈흔 등의 유기물질은 형광반응이 잘 나타나는 것을 이용한 것이다. 연구물이 쓰이는 장소인식당, 조리실 등의 시설은 대부분 형광반응이 일어나지 않는 무기재료 (금속, 타일 등)이므로, 유기 잔류물이 존재할 때 형광을 이용하면 쉽게 검출할 수 있다는 생각을 하게 되었으며 서영욱 교수님의 자문을 물어 형광의 개념과 활용예시등에 관해 2주간 배우고 난 후 더욱 확신을 가지게 됨.

그림 7 형광의 원리

그림 8 형광물질의 활용

자동화된 기계로 내장을 제거할 때, 적절하지 못하게 절제된 내장기관에서 잔유물이 흘러나와 계육 표면을 오염시킬 수 있다. 특히 세척 과정 중 물에 희석된 오염 물질은 육안으로 검출이 더욱 어렵기 때문에 전문가의 육안 검사에 검출될 확률이 매우 낮다.

오염된 계육이 내장적출 후 냉각수에 침전되면 다른 계육도 오염시킬 수 있다(논문 136페이지중 인용).

그림 9 CSI에서의 형광활용

이후 연구의 주제에 맞는 일상에서의 급식실 환경에서 찾아볼 수 있는 오염원인을 선정하여야 했다.

이를 위해 식중독에 오염원인이 되는 것은 무엇인지, 주방에서 자주 쓰이는 유기물은 무엇인지에 관해 직접 조사한 후 토의하여 결정하였다.

콩기름은 많이 쓰이는 식재료로 동물성 기름과 식물성 기름으로 나누어 실험할 예정이었지만 동물성 기름의 경우 이미 ‘도계육 표면 내장 잔유물 검사를 위한 형광조사 및 방출파장 선정에 관한 연구’등 동물성 지방 및 기름에서의 형광검출의 선행 연구 등이 존재하기 때문에 식물성 기름만을 실험하는 것으로 대체했 다.

세제는 가정에서 그릇을 닦을 때나 급식소에서 세제를 많이 사용하게 된다. 그러나 최근 TV조선의 기사를 보면 세제로 그릇을 닦은 후 직접 실험을 해 본 결과 깨끗하게 설겆이를 해도 세제가 그릇에 남아 1년 동안 소주 두잔 분량의 세제를 마시는 정도라는 연구 결과가 존재할 정도로 그릇에 남은 잔류세제가 우리에 게 질환을 일으키는 요인이기에 세제를 선정하였다.

마지막으로 곰팡이는 발효음식이나 의약품으로 활용되기도 하는 유익한 미생물이지만 곰팡이가 생산하 는 2차 대사산물은 사람뿐만 아니라 가축이나 식물에도 문제를 일으킬 수도 있다. 이러한 유독 물질을 곰팡이독이라 하며, 섭취 시 곰팡이 중독증이 발생할 수 있는데 곰팡이 독은 열에 강하고 가공 과정에서도 잔류성이 높아 섭취 시 건강에 치명적일 수 있다. 또한 식품의약품안전처에서 식중독의 원리로 곰팡이 독소를 선정한 바 또한 있다. 따라서 곰팡이는 습기가 많은 조리 환경에 서식할 가능성이 높고 위험성이 높아 위생에 대한 지표가 될 수 있다고 판단하여 선정했다.

□ 연구 방법

○

식재료 표본을 그림10과 같이, 충남대학교 연구실의 Flourescence Spectrometer FS-2라는 X선 형광 분석기를 사용하여 분석하였다.

X선 형광 분석기는, 그림 11에서와 같이 시료에 조사된 X선이 시료의 내각 전자를 방출시키게 되면, 방출된 전자 자리를 채우기 위해 다른 전자껍질에서 전자가 이동하는데, 이때 여분의 에너지를 내놓게 되며 이 여분의 에너지를 측정함으로써 원자가 흡수하고 방출하는 파장의 빛을 알 수 있게 되므로, X선 형광 분석 기계에 시료를 넣고 200nm부터 900nm까지 5nm간격의 빛을 방사하여 그에 대한 각 파장의 반응을 조사하였다. 이를 통해 형광반응이 일어나는 물질과 그 피크를 찾는 것을 목표로 하였다.

그림 12 x선 형광 분석의 원리 그림 11 형광분석 장치 사용

(4)

이러한, 식재료의 형광 데이터 베이스를 기초로 하여 식재료에 비췄을 때 전체적으로 가장 높은 형광 반응을 보이는 빛의 파장과 나타나는 형광의 파장을 그림 13와 같이 조사한다.

조사한 파장의 빛을 내기에 알맞은 광원을 찾고, 형광반응을 측정할 수 있는 특정한 파장대의 광 필터를 찾는다. 이후, 현장에서 간편하게 휴대할 수 있도록 휴대폰을 활용한 형광검출기로 설계, 제작한다.

□ 연구 활동 및 과정

◾가설설정

-

급식실에 묻어있는 유기물질을 어떤 방법으로 쉽게 알아낼 수 있을지를 위해 고민하던 중 TV에서 방영하는 CSI를 보게 되었다. CSI에서는 아래 그림과 같이, 현장의 잠재 지문, 혈흔 같은 단서를 찾을 때 형광분석을 이용한다. 이는 형광반응이 일어나지 않는 무기재료와는 달리 지문, 혈흔 등의 유기물질은 형광반응이 잘 나타나는 것을 이용한 것이다. 연구물이 쓰이는 장소인식당, 조리실 등의 시설은 대부분 형광반응이 일어나지 않는 무기재료 (금속, 타일 등)이므로, 유기 잔류물이 존재할 때 형광을 이용하면 쉽게 검출할 수 있다는 생각을 하게 되었으며 서영욱 교수님의 자문을 물어 형광의 개념과 활용예시등에 관해 2주간 배우고 난 후 더욱 확신을 가지게 됨.

◾실험설계

외부전문가의 자문을 받아 충남대학교 실험실에 x선 형광분석기를 활용하여 각 식재료에 대한 형광 특성 분석을 한 후 분석한다. 그 결과를 토대로 형광 반응을 최대로 검출 할 수 있는 광원을 결정한다.

이 후 이 광원을 활용한 현장 적용형 휴대용 형광 영상 검출기의 설계 및 제작 후 실제 활용이 용이한지에 대한 확인의 순서로 진행하였다.

◾실험과정

①각 식재료에 따른 대한 형광 데이터베이스를 분석

외부 전문가에서 남대학교 연구실의 Flourescence Spectrometer FS-2라는 X선 형광 분석기 형광분석기 사용법을 배우고 형광으로 검출할 오염물질로 크게 3가지(콩기름, 세제, 곰팡이)를 선정 후 콩기름을 형광 분석기에 넣어 200nm부터 900nm까지 5nm간격의 빛을 방사하여 그에 대한 각 파장의 반응을 조사 어떤 파장에 형광반응이 나타나는지 등의 자료를 얻었다.

그림 12 형광 분석결과 확인

그림 14 형광분석 장치 사용 그림 15 형광 분석결과 확인

②각 식재료에 따른 대한 형광 데이터베이스를 분석

콩기름을, 5nm의 간격으로 200nm부터 635까지 형광 분석기로 측정하여 분석한 결과, 그림 7 그래프를 얻었다. 외부 전문가인 서형욱 교수와 함께 데이터 분석에 대해 배워 이를 분석하였다. 그래프 가로축의 수치(Ex)가 물질에 방사하는 빛의 파장이고, 세로축의 수치(Em)가 물질의 형광 반응 시 관측되는 빛의 파장이 다. 노란색에서 빨간색에 가까워질수록 빛의 세기가 더 강해진다. 결과분석 결과 콩기름의 경우 형광반응이 명확하게 일어으며 나머지 시료에서는 명확한 형광반응이 일어나지 않았다. 이 결과에 따라 모든 시료를 검출하는 것은 불가능하며 기름기가 남는 유기물의 검출기로 목표를 하향조정하였다.

③ 위의 형광반응에 따라 365nm의 빛을 내는 광원을 가지고 현장 적용형 휴대용 형광 영상 검출기를 설계, 제작함.

분석 결과 콩기름의 경우 충남대학교 바이오시스템 기계공학과의 스펙트로미터를 통해 365nm의 빛을 비추었 을 때 420nm로 형광이 검출이 잘 되었기 때문에,분석을 위한 광원으로365nm의 파장을 방출하는 기기를 연구비를 사용하여 준비하였으며, pasco의 빛 검출기를 연구비로 사서 이를 통해 콩기름 검출기를 만들기로 외부 전문가와 함께 결정하였다. 검출기의 작동성에 관한 실험을 위해서, 연구비로 콩기름과 일회용 접시와 스포이트를 사서 준비하였다.

실험결과 콩기름의 경우 아주 작은 양과 물에 대충 씻은 상태에서도 검출이 가능하였다.

(5)

3. 연구 결과 및 시사점

□ 연구 결과

형광의 원리에 대해 배운 후 형광분석기 사용법을 배우고 형광으로 검출할 오염물질로 크게 3가지(콩기름, 세제, 곰팡이)를 선정 후 콩기름을 형광 분석기에 넣어 어떤 파장에 형광반응이 나타나는지 등의 자료를 얻었다.

콩기름을, 5nm의 간격으로 200nm부터 635까지 형광 분석기로 측정하여 분석한 결과, 그림 18 그래프를 얻었다. 그래프 가로축의 수치(Ex)가 물질에 방사하는 빛의 파장이고, 세로축의 수치(Em)가 물질의 형광 반응 시 관측되는 빛의 파장이다. 노란색에서 빨간색에 가까워질수록 빛의 세기가 더 강해진다. 즉, 위 그래프에서는 Ex가 350인 부근에서 Em이 400에서 450 사이인 빛이 가장 강하게 관측된다.

그림 18 콩기름의 형광반응 분석표

그림 19는 콩기름의 형광을 분석하여 측정된 데이터로, sample 32~34 (355nm~365nm) 에서 강한 빛이 관측되었다. 즉, 그림 18의 그래프는 그림 19의 데이터를 토대로 그려진 것으로 결과가 일치하는 것을 볼 수 있다. 콩기름에서는 365nm 파장의 빛을 쏘았을 때 형광반응이 가장 컸으며. 425.1 nm 파장의 빛이 가장 많이 측정되었다.

세제의 형광을 분석한 결과, 그림 20의 결과를 얻었다. 형광반응이 측정되었지만 350nm부터 500nm에 이르기까지 넓은범위에서 관측되어 특정 파장에 형광 반응의 피크가 존재한다고 특정하기 힘들다. 또한 강한 형광반응은 아니어도 형광반응 자체는 270nm부터 900nm까지 거의 모든 범위에 걸쳐 나타나 특정 파장에서 형광반응이 나타난다고 볼 수 없다 .

그림 17 콩기름의 형광 분석 그래프

그림 19 세제의 형광분석데이터

곰팡이의 형광을 분석한 결과, 그림 21과 같은 결과를 얻었다. 200nm에서부터 760nm까지 모든 파장의 빛에 반응을 보이고 있어 특정 파장에 대한 형광반응은 없는 것으로 관측된다. 서로 다른 3개의 파장의 빛을 방출하고 있어 곰팡이 외에도 재료가 섞인 것으로 보이나 셋 중 형광반응이 일어나는 것은 없으므로 곰팡이 또한 형광반응은 없다고 봐야 한다.

분석 결과 콩기름의 경우 충남대학교 바이오시스템 기계공학과의 스펙트로미터를 통해 365nm의 빛을 비추었 을 때 420nm로 형광이 검출이 잘 되었기 때문에,분석을 위한 광원으로365nm의 파장을 방출하는 기기를 준비해서 검출기를 만들기로 결정하였다. 검출기의 작동성에 관한 실험을 위해서, 일회용 접시와 스포이트를 준비하였다.

스포이드를 이용하여 콩기름의 양을 바꾸어 가며 미량의 콩기름에도 과연 형광반응이 일어나 검출할 수 있는지 를 알아보기 위하여 0.5ml 단위로 양을 달리하여 관찰해보았다. 관찰 결과 소량일때나 대량일때나 모두 형광이 검출되는 것으로 465nm의 콩기름의 양에 따라 반응성이 달라지는 것이 아니라 존재만으로도 형광이 검출된다 는 것을 알 수 있었다.

또한 추가적으로 물로만 세척한 후에 남은 양의 기름을 과연 검출할 수 있을 지에 관해 알아보기 위하여 센 물로 세척한 후의 실험을 진행하였다. 총 3번의 반복 실험 결과 모두 검출되는 결과를 얻을 수 있었으며, 세제를 이용하여 꼼꼼히 세척한 경우에는 검출되지 않았다.

그림 20 곰팡이의 형광 분석 데이터

(6)

□ 시사점

○ 조리실이나 식당 등 음식을 다루는 장소에서 육안 검사가 어려운 유기 잔류물을 검출할 수 있는 휴대용 위생검사기를 설계, 제작하여, 이를 통해 위생검사를 실시하여 문제가 심각한 식중독이나, 조리실이나 식당에서 발생할 수 있는 사고를 미리 예방할 수 있다.

○ 휴대용이므로, 언제든 쉽게 결과를 나타낼 수 있어, 사고발생을 사전에 차단하여 학교 급식에 대한 학생들의 신뢰도를 향상시키고 학생들에게 건강한 급식을 제공한다.

○ 학교에서 뿐 아니라 야외활동 및 대규모 위생점검이 불시에 필요한 상황에서도 이를 활용하면 적은 비용과 시간으로 문제를 해결할 수 있다.

4. 홍보 및 사후 활용

○ 급식실에 기기를 배치하여 수시로 검사를 실행한다.

○ 야외활동시 기기를 휴대하여 검사를 실행한다.

○ 연구결과 보고서와 논문을 일반학생들에게 일반화하여 연구 역량을 강화 할 수 있다.

5. 참고문헌

○ 바이오시스템 공학 Vol. 33, No. 2, pp. 136~141 (2008)

○ Cho, B. K., Kim M. S., 2008, Study on Fluorescence Excitation and Emission Bands for Detection of Fecal Fesidue on Poultry Carcasses

○Fluorescencespectroscopy-Wikipedia(https://en.wikipedia.org/wiki/Fluorescence_spectroscopy)