Oil Fluorescence Spectrum Analysis for the Design of Fluorimeter

Sangwoo Oh; Dongmin Seo; Kiyoung Ann; Jaewoo Kim; Moonjin Lee; Taebyung Chun; Sungkyu Seo

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Sangwoo Oh (Korea Research Institute of Ships & Ocean Engineering)
Dongmin Seo (Korea Research Institute of Ships & Ocean Engineering)
Kiyoung Ann (Korea University)
Jaewoo Kim (Korea University)
Moonjin Lee (Korea Research Institute of Ships & Ocean Engineering)

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해양에서 기름 유출 사고로 인한 오염도를 정량적으로 평가하기 위해서, 사고 현장에서 기름을 직접 탐지할 수 있는 센서의 적용이 필요하다. 여러 형태의 기름 탐지 센서 중에서, 기름 성분에 의한 형광 현상(fluorescence)을 탐지 원리로 하는 센서는 해수 중에 존재하는 기름의 농도를 측정할 수 있으므로 효용성이 높은 장점을 갖고 있다. 그러나 이런 종류의 센서는 기름의 형광 현상을 야기시키기 위해서, 수은 램프(mercury lamp)와 같은 자외선 광원(ultraviolet light source)이 필요하고 다양한 종류의 광학 필터와 광전증배관(photomultiplier tube, PMT)과 같은 광학 센서가 주로 사용된다. 이러한 이유로 형광 측정을 기반으로 하고 있는 센서는 측정 플랫폼의 크기가 크기 때문에 현장에서 원활히 사용하기에 한계가 있으며, 고가의 부품들이 집적되어 있어, 센서의 가격이 높은 단점을 갖고 있다. 이러한 단점을 극복하기 위해서, 본 논문에서는 소형의 크기와 가격 경쟁력을 갖고 있는 형광 광도계 기반의 기름 탐지 센서를 설계하는 방법에 대해서 제시하였다. 형광 광도계의 설계 인자를 파악하기 위한 방법으로, 본 연구에서는 5종의 원유 샘플과 3종의 정제유를 이용하여, 기름의 여기 스펙트럼(excitation spectrum)과 발광 스펙트럼(emission spectrum)을 측정하였다. 여기 스펙트럼과 발광 스펙트럼의 측정을 위해서는 형광 분광기(fluorescence spectrometer)를 이용하였고, 측정된 스펙트럼 자료를 분석하여 형광 광도계(fluorimeter) 설계에 필요한 유종에 따른 공통 스펙트럼 파장 대역을 도출하였다. 본 실험을 통해서 모든 종류의 기름 샘플의 경우, 여기 스펙트럼과 발광 스펙트럼의 최고 값을 갖는 파장의 차이는 약 50 nm인 것으로 파악되었다. 실험 중에서, 여기광의 파장을 365 nm와 405 nm로 고정하였을 경우, 280 nm와 325 nm로 고정하였을 경우에 비해서 최대 발광(emission)의 세기가 작아지는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 형광 광도계의 광원 파장을 365 nm 또는 405 nm로 사용할 경우, 광학 센서의 민감도(sensitivity)가 발광되는 빛의 세기를 측정할 수 있도록 설계에 반영해야 할 것으로 판단된다. 본 연구의 실험에서 도출된 결과를 통해서, 기름 탐지를 위한 형광 광도계의 광원, 광학 센서 그리고 광학 필터의 유효 파장 대역을 선택하는데 필요한 설계 인자를 파악할 수 있었다.

To evaluate the degree of contamination caused by oil spill accident in the sea, the in-situ sensors which are based on the scientific method are needed in the real site. The sensors which are based on the fluorescence detection theory can provide the useful data, such as the concentration of oil. However these kinds of sensors commonly are composed of the ultraviolet (UV) light source such as UV mercury lamp, the multiple excitation/emission filters and the optical sensor which is mainly photomultiplier tube (PMT) type. Therefore, the size of the total sensing platform is large not suitable to be handled in the oil spill field and also the total price of it is extremely expensive. To overcome these drawbacks, we designed the fluorimeter for the oil spill detection which has compact size and cost effectiveness. Before the detail design process, we conducted the experiments to measure the excitation and emission spectrum of oils using five different kinds of crude oils and three different kinds of processed oils. And the fluorescence spectrometer were used to analyze the excitation and emission spectrum of oil samples. We have compared the spectrum results and drawn the each common spectrum regions of excitation and emission. In the experiments, we can see that the average gap between maximum excitation and emission peak wavelengths is near 50 nm for the every case. In the experiment which were fixed by the excitation wavelength of 365 nm and 405 nm, we can find out that the intensity of emission was weaker than that of 280 nm and 325 nm. So, if the light sources having the wavelength of 365 nm or 405 nm are used in the design process of fluorimeter, the optical sensor needs to have the sensitivity which can cover the weak light intensity. Through the results which were derived by the experiment, we can define the important factors which can be useful to select the effective wavelengths of light source, photo detector and filters.

#Oil Spill Detection(유출유 탐지) #In-situ Sensor(현장탐지 센서) #Fluorimeter(형광 광도계) #Fluorescence Spectrum(형광 스펙트럼) #Fluorescence Spectroscopy(형광 분석법)