화공생물공학실험1. Abstract이 실험의 목표는 관수로 내부 흐름 측정에 주로 사용되는 Venturi meter, Orifice meter를 이용하여 베르누이 방정식 , 연속방정식과 관련하여 유체 유동중에 일어나는 에너지손실, 즉 역학적 에너지 손실등에 대한 개념을 이해하는 목적을 가진다.비압축성 유체의 경우 단위질량의 유체가 가지는 압력 에너지, 속도 에너지의 합은 항상 일정하다는 점에서 유도한 식이 베르누이 방정식이다.실제유량의 흐름에 있어서는 유체의 점성으로 인한 에너지의 손실이 있을 뿐 아니라 각 단면에서의 유속이 균일분포를 가지지 않으므로 이론적인 유량보다 약간 작은 유량이 계측되므로 이를 보정하는 유량계수를 구한다.실험 기구의 조건을 맞게 설정한 후 유량밸브를 천천히 열면서 관 안의 공기를 빼낸후 유량을 조절하여 manometer 높이가 같도록 한다. flow meter를 보면서 유량밸브를 열어 유량을 측정하여 압력강하를 표에 기록하고 주어진 공식에 결과값을 대입하여 평균 유량계수를 구한다. 실험결과 일반적인 유량계수와 꽤 오차가 난 값을 얻었다. 실험기의 오염으로 유체가 관을 흐르면서 마찰로 인한 오차가 발생하였을 수 있고 관들의 외관과 내관이 오염되어 데이터값을 측정할 때 정확하지 않은 값을 기록하였을 가능성이 있다.위 실험기기와 차압식 유량계는 전자 유량계보다 정확도가 떨어지고 유량 측정 범위가 매우 좁아 일정한 유량이 유지되지 않으면 사용하기 곤란하다는 단점이 있다. 또한 주기적인 청소등의 유지보수가 필요하며 마모와 부식에 대한 측정오차가 발생할 수 있다.2. Introduction1) 실험 목표 : 관수로 내부 흐름 측정에 주로 사용되는 Venturi meter, Orifice meter를 이용하여 Bernoulli equation의 응용에 의해 유량계수를 측정한다.＊베르누이 방정식은 이상적인 유체의 흐름에 관한 압력, 유속, 그리고 높이에 관한 관계식을 의미한다. 1, 2의 두 지점을 비교할 때, 각 지점의 에너지는 동일하다는 것을 가지가 있다.2) 실험 원리가. Venturi meter: Venturi meter는 노즐 및 관 오리피스와 함께 흐름의 단면을 축소시켜 축소 전후의 단면간의 압력 손실을 측정하여 유량을 계산하는데 사용된다. 관로를 따른 흐름의 에너지 유실이 없다고 가정하면 Bernoulli 방정식은 다음과 같아진다.{V _{1}^{2}} over {2g} +h _{1} = {V _{2}^{2}} over {2g} +h _{2} = {V _{3}^{2}} over {2g} +h _{3} -(1) 여기서 V는 각각 단면 1, 2 및 n면에서의 평균 유속이다. 한편 흐름의 연속방정식은 �똔�V _{1} A _{1} =V _{2} A _{2} =V _{n} A _{n} =Q 여기서 Q는 유량을 뜻한다. 이 두 식을 대입한 후 풀면 ��V _{2} = sqrt {{2g(h _{1} -h _{2} )} over {1-( {A _{2}} over {A _{1}} ) ^{2}}}-(2),Q=V _{2} A _{2} =A _{2} sqrt {{2g(h _{1} -h _{2} )} over {1-( {A _{2}} over {A _{1}} ) ^{2}}}-(3)실제유량의 흐름에 있어서는 유체의 점성으로 인한 에너지의 손실이 있을 뿐 아니라 각 단면에서의 유속이 균일분포를 가지지 않으므로 (3)식에서 계산되는 유량보다 약간 작은 유량이 계측되어 (3)식에 유량계수 C를 곱해서 진 유량을 구하게 된다. Venturi meter의 유량계수C는 C를 제외한 모든 변량을 실험에서 측정함으로써 구할 수 있고 대략 0.92~0.99의 값을 가지는 것으로 알려져 있다.나. Orifice meter: 관 오리피스는 유량노즐이나 Venturi meter와 같이 흐름의 두 단면간의 압력수 두차를 측정함으로써 관수로 내 흐름의 유속을 측정하는 계기이다. 본 실험에서는 관로에 설치된 관 오리피스를 통해 물이 흐를 때 유량의 감소 및 에너지 손실을 대표하는 관 오리피스의 유량계수를 결정하고 또한 이 계수가 흐름 상태에최소단면이 형성되며 이 단면을 vena contracta이라 한다. 수축단면적은 오리피스의 단면적(A)보다 작으며 단면의 수축률을 단면수축계수(C _{c})라 한다. 에너지손실을 무시한 베르누이 방정식을 세우면{P _{1}} over {gamma} + {V _{1}^{2}} over {2g} = {P _{2}} over {gamma} + {V _{2}^{2}} over {2g}-(1)이다. 단면 사이의 연속 방정식은Q=V _{1} A _{1} =V _{2} A _{2} =C _{c} V _{0} A _{2},-(2)A _{0}는 오리피스의 단면적이다. (1)을 V에 관하여 풀면V _{2} = {1} over {sqrt {1-( {d _{2}} over {d _{1}} ) ^{4}}} sqrt {2g( {P _{1} -P _{2}} over {gamma} )}-(3) 이식을 (2)식에 대입하고 관오리피스에서의 에너지 손실로 인한 감속을 고려하여 유속계수C _{V}�８� 곱해준다.Q=C _{d} A _{0} sqrt {2g( {P _{1} -P _{2}} over {gamma} )} =C _{d} A _{0} sqrt {2gh( {s _{0}} over {s} -1)}C _{d} = {C _{c} C _{V}} over {sqrt {1-C _{c} ^{2} ( {d _{0}} over {d _{1}} ) ^{4}}} 좌우변의 변수를 실험을 통해 측정함으로써 유량계수의 값을 결정할 수있게 된다.3. Materials & Methods실험기구 및 시약hydraulic bench, 물, 계산기실험 방법(1) 실험기구 setting① 실험 기구 아래의 수조에 물을 반 이상 채운다② 실험 기구 오른쪽 위에 있는 밸브(유량밸브)를 완전히 잠근다.③ 실험 기구의 모든 호스가 단단히 연결되어 있는지 확인한다.④ 실험 기구 전면에 있는 계기판의 밸브(Water supply valve)를 완전히 연다.⑤ 스위치를 on한다.(2) 실험 기구 작동① 유량밸브를 천천히 열면서 관 안의 tube의 물이 끝까지 내려가지 않도록 주의하며 유량 조절② 유량을 조절하며 tube manometer 안의 물이 공기방울이 없도록 조절한다.③ 유량밸브를 잠갔을 때 모든 water tube manometer의 높이가 같으면 조절이 끝난 것이다.④ 물이 water tube manometer의 끝까지 올라갔을 경우 water tube manometer 옆의 고무 펌프를 이용하여 수위를 낮춰준다.(3) 유량계수 측정① Flow meter를 보면서 유량밸브를 연다.② 유량을 측정한다.③ water tube manometer를 보면서 압력강하를 표에 기록한다.④ 주어진 공식에 측정된 결과값을 대입하여 Venturi tube 및 Orifice tube의 유량 계수를 계산한다.⑤ 유량을 다르게 하여 실험을 반복한 후, 평균 유량계수를 구한다.● 반드시 수조의 물을 모두 비우고 간다4. ResultsVenturiQ=CA _{2} sqrt {{2g(h _{1} -h _{2} )} over {1-( {A _{2}} over {A _{1}} ) ^{2}}}Q``L/min=C TIMES2.01cm ^{2} sqrt {{2 TIMES980cm/s ^{2} TIMES( {60s} over {1min} ) ^{2} TIMES(35.5cm-hcm)} over {1-( {2.01cm} over {5.31cm} ) ^{2}}} {1L} over {1000cm ^{3}} 식에 실험결과 대입Q=5일 때h _{1`} `; C=0.70,h _{2} `; C=0.54Q=10일 때h _{1`} `; C=0.86 ,h _{2} `; C=0.63Q=12.5일 때h _{1`} `; C=0.84,h _{2} `; C=0.61유량계수 C평균 = 0.7OrificeQ=C _{d} A _{0} sqrt {2gh}Q`L/min=C _{d} TIMES3.14cm ^{2} sqrt {2 TIMES980cm/s ^{2} TIMES( {60sec} over {min} ) ^{2} TIMESh} TIMES {1L} ove{d}=0.48 ,h _{6} `;C _{d}=0.379Q=10일 때h _{5`} `;C _{d}=0.56 ,h _{6} `;C _{d}=0.39Q=12.5일 때h _{5`} `;C _{d}=0.54,h _{6} `;C _{d}=0.38유량계수C _{d} 평균 = 0.455. Discussion이번 실험은 베르누이 방정식 , 연속방정식과 관련하여 유체유동중에 일어나는 에너지손실, 즉 역학적 에너지 손실등에 대한 개념을 이해하는 목적을 가진다.비압축성 유체의 경우 단위질량의 유체가 가지는 압력 에너지, 속도 에너지의 합은 항상 일정하다는 점에서 유도한 식이 베르누이 방정식이다. 같은 높이에서 유체가 흐르는 경우 유체의 속력은 좁은 통로를 흐를 때 증가하고 넓은 통로를 흐를 때 감소한다.실제 유량의 흐름에 있어서 유체의 점성으로 인한 에너지의 손실이 있을 뿐 아니라 각 단면에서의 유속이 균일분포를 가지지 않으므로 유량계수로 실제유량을 보정한다. Venturi-Meter와 orifice에서 유속을 잴 때 유속이 커질수록 수두차도 커지는 유속과 수두차가 비례한다. 수두차를 이용해 유속을 구할 수 있다.지름 D인 유관에 관의 지름 d(D＞d)의 오리피스를 삽입하면, 그 직후에서 유속이 변화하여 압력이 떨어진다. 오리피스의 바로 앞과 직후에서의 유체의 압력차를 검출함으로써 유량을 구할 수 있다.실험결과 실제 유량과 이론 유량과의 값은 꽤 큰 오차가 난다. venturi meter는 유체의 유입 및 유출부분이 유선형으로 되어있어 압력손실이 적고 실제적인 유체유동과 venturi meter의 유선형도가 비슷하여 유량계수는 일반적으로 0.9 정도로 1에 가까운 유량계수를 가진다. 오리피스의 경우 유속이 빠른 단면의 크기가 이론적 계산에 사용된 오리피스의 조임부 단면보다 작으며 실제의 유동상태가 이론적 가정과 많은 차이가 있어 측정한 유량의 유량계수C _{d}는 일반적으로 0.61로 venturi보다 상대적으로 작은 유량계수 값을 가진다. 실험 측정 결과로부터 얻은 ventur수
화공생물공학실험 1. Abstract 본 실험은 두 개의 수직관에서 서로 비중이 다른 액체를 넣고 단일구가 일정한 위치에서 수직으로 침강할 때 일어나는 현상을 관찰하고 항력계수와 Reynolds수와의 관계를 알아본다. colum A는 물을 colum B는 40% 글리세린을 채워 3가지 종류의 단일구를 1m 높이에서 침강시켜 낙하속도를 측정한다. 실험실 온도는 20도라 가정하고 물과 글리세린의 밀도와 점도를 찾아 실험결과에 대입한다. CD 는 종결속도 ut를 알아야 계산 가능한데 종결속도는 CD를 알아야 구할 수 있으므로 ut를 평균속도로 이용하여 항력계수를 구하였다. 하지만 이 값으로 오차가 발생하므로 종결속도 ut 값을 사용하지 않고 CD를 구할 수 있는 판별인자 K를 사용하여 이론적 레이놀즈 수를 구하였다. 단일구가 낙하할 때 직선으로 낙하하는 것이 아니라 곡선의 형태로 낙하하는 것을 이상적인 값과는 다를 것이라 예상한다. 또한 측정한 구들이 표면이 완전히 매끄럽지 않은 표면을 가질 수 있어 직경 측정 값에 오차가 있어 실험결과 계산 값에서 어느 정도는 영향을 주었을 것이라 예상한다. 항력계수 C _{D}는 입자의 레이놀즈수 N _{Re}값에 따라 달라지게 되는데 레이놀즈수가 커질수록 관성력이 우세해지며 흐름은 복잡하고 무작위적인 난류가 되려는 경향이 있어 항력계수는 작아진다. 레이놀즈수가 작아지면 유체의 점성력이 우세해지며 난류들은 점성력에 의해 에너지를 잃으며 항력계수는 커진다. 2. Introduction 1. 실험 목표 두 개의 수직관에서 서로 비중이 다른 액체를 넣고 단일구가 일정한 위치에서 수직으로 침강할 때 일어나는 현상을 관찰하고 항력계수와 Reynolds수와의 관계를 알아본다. 2. 실험 원리 정지 유체(기체 또는 액체)속에 놓여 있는 구형입자에 작용하는 힘은 중력, 부력 그리고 저항력이다. 부력과 저항력은 중력과 반대방향으로 작용하는 힘이므로 부호가 반대이고, 이들 세 가지 힘의 합이 구형입자에 작용하는 힘 (= m _{p} {du} over {dt})이 된다. 즉, 구에 대한 수직 방향으로의 힘의 수지식은 다음과 같이 표시된다. {piD _{p}^{3}} over {6} rho _{p} g- {piD _{p}^{3}} over {6} rhog-F _{d} = {piD _{p}^{3}} over {6} rho _{p} {du} over {dt} (1) 여기서, Dp : 구의 직경 [㎝], ρp : 구의 밀도 [g/㎤], ρ : 액체의 밀도 [g/㎤], Fd : 저항력, u : 구의 침강속도 [㎝/sec] 구에 작용하는 속도가 종말속도에 도달하면 u는 일정하므로 {du} over {dt}=0 따라서 (1)식은 F _{d} ={piD _{p}^{3}} over {6} (rho _{p} - rho)g (2)로 정의한다. 저항계수는 C _{D} = {F _{D}} over {( {piD _{P}^{2}} over {4} )( rho {u _{t}^{2}} over {2} )} (3)로 정의한다. 한편, 구에 작용하는 저항력 Fd는 구의 질량과 구 속도의 자승의 곱 {m×(구의 속도)×2}에 비례 하므로, 비례상수, 즉, 저항계수 C _{D}를 도입하면 식(2)와 식(3)으로부터 C _{D}는 다음과 같이 변환될 수 있다. C _{D} = {4} over {3} ( {gD _{p}} over {u ^{2} _{t}} )( {rho _{p} - rho} over {rho} )??4) 이 식으로부터 실험적으로 정해진 종말속도 ut의 값에서 C _{D} 를 구할 수 있다. C _{D}는 입자의 레이놀즈 수, N _{Re,p} 값에 따라서 달라지므로 실험적으로 측정하여 그래프화 되어있다. 이들의 관계를 3가지 속도구간에서 나누어서 아래와 같이 설명할 수 있다. 가) N _{Re} = {D _{p} u _{t} rho} over {mu} 1,000,000의 경우, C _{D}CONG0.19매질의 밀도와 점성이 클수록 침강속도는 느리고 수온이 높은 물에서 침강속도가 빠르다. 입자의 형태가 원형에 가깝고 매끄러울수록 침강속도가 빠르며 입자의 크기와 밀도가 클수록 침강속도가 빠르다. #종말속도 :중력침강에서 g는 일정하고 항력은 속도에 따라서 증가한다. 가속도는 시간이 경과하면 감소하다가 0에 접근하고 입자는 곧 일정한 속도에 이르게 되는데 이 속도는 주어진 상황에서 도달할 수 있는 최대 속도로서 종말속도라고 한다. 3. Materials & Methods 실험기구 및 시약 침강속도 측정 장치, 자, 물, 글리세린, 세척액 및 기구, 비중계, 비중병, 초시계, 여러 모양의 구 실험 방법 1. Column A 와 Column B에 물과 글리세린을 채운다. 2. 각 Column에 bucket을 담근다. 3. Main power switch를 ON시키고, timer reset switch를 한번 눌러 digital timer를 reset 시킨다. 4. Timer가 정상적으로 작동되면 위에서 단일 구를 떨어뜨려 단일구가 detector를 지나가는 시간을 측 정한다. 5. Detector 사이의 간격은 column에 부착되어 있는 자의 눈금으로 거리를 읽는다. 6. Detector 사이의 거리를 측정된 시간으로 나누어 종말 속도를 측정한다. 7. 이론식과 비교하여 종말속도의 이론치와 실험치를 비교 고찰한다. 8. 단일구의 종류를 바꿔 가며 위의 실험을 반복한다. 9. column을 변경하여 위의 실험을 반복한다. ▶ 주의 사항 ? 실험 전에 반드시 bucket를 column 내부에 삽입한 후 실험. ? 구를 떨어뜨렸을 때 sensor가 작동하지 않았을 경우 sensor reset switch를 작동시켜 timer를 임의 로 작동시킨 후 timer reset switch를 눌러 timer를 reset 시킨 후 다시 실험수행. ? 장치를 옮길 때 충격에 주의. ? 장치를 사용하지 않고 장기간 보관 할 때는 column 내부의 유체를 뺀 후 보관. 특히 겨울철에는 동파에 유의. ? 실험하기 전 실험 장치에 부착된 수평계를 이용하여 장치의 수평을 유지하여야 함. 4. Results 7 컬럼A(물) 직경(cm) 부피( cm ^{3}) 질량(g) 밀도(g/ cm ^{3}) 평균침강시간(s) 거리(m) 속력(cm/s) 골프공 4.3 41.6 45.65 1.097 4.6 1 21.7 도자기구슬 3 14.13 34.37 2.43 1.08 1 92.5 쇠구슬 3 14.13 110.09 7.79 0.55 1 181.8 컬럼B(글리세린) 직경(cm) 부피( cm ^{3}) 질량(g) 밀도(g/ cm ^{3}) 평균침강시간(s) 거리(m) 속력(cm/s) 골프공 4.3 41.6 45.65 1.097 11.25 1 8.8 도자기구슬 3 14.13 34.37 2.43 1.296 1 77.1 쇠구슬 3 14.13 110.09 7.79 0.57 1 175.4 항력계수 CD를 구하기 위해 필요한 ut를 위해, 구에 작용하는 속도가 종말속도에 도달하여 속도 u는 일정하다고 가정한다. 즉, 중력장에서 침강운동을 하지만 침강속도 u= ut 이며, 등속운동이라고 가정한다. 이에 따라 다음식을 통해 레이놀즈수를 구한 후, 저항계수 CD를 구한다. 컬럼A(물) N _{Re}컬럼B(글리세린) N _{Re}칼럼A C _{D}칼럼B C _{D} 골프공 9331 1197 1.15 0.066 도자기 구슬 27750 7318 0.65 0.799 쇠구슬 54540 16650 0.8 0.776 실험실의 온도를 20도라 가정한다. 컬럼 A는 물로 20도에서 물의 점도는 1cP=0.01g/cm*s, 물의 밀도는 약 1g/ cm ^{3}컬럼 B는 글리세린+물 용액을 사용하였으므로 농도가 100% 글리세린이 아닌 40% 글리세린 용액의 점도를 찾아 식에 대입한다. (온도, 농도에 따른 글리세린 점도표 참고) 20도에서 40% 글리세린 점도는 3.47cP=0.0347g/cm*s 40% 글리세린의 밀도는 약 1.098g/ cm ^{3} 5. Discussion 이번 실험에서 각 단일구의 레이놀즈수를 구하였는데 세 개의 구가 두 개의 칼럼 모두에서 N _{Re}>4000의 값으로 모두 난류로 측정되었다. 2.introduction에서 언급한 식에 따라 N _{Re}에 따라 실험결과 모든 값이 C _{D}가 1000 < N _{Re} < 200,000 범위에 들어가므로 Newton’s law를 따라 CD=0.45로 플롯된다. C _{D} = {4} over {3} ( {gD _{p}} over {u ^{2} _{t}} )( {rho _{p} - rho} over {rho} )식을 이용하여 구한 값과 실험적으로 구한값을 비교한다. CD 는 종결속도 ut 를 알아야 계산 가능한데 종결속도를 몰라 구할 수 없다. 그러므로 종결속도 ut 값을 사용하지 않고 CD를 구할 수 있는 판별인자 K를 사용하여 이론적 레이놀즈 수를 구한다. K = D _{p} ( {g rho( rho _{p} - rho)} over {mu ^{2}} ) ^{1/3} K
1. Abstract이번 실험의 목표는 Lambda DNA를 임의의 제한효소로 절단하고, 이를 전기영동 통해 사용된 제한효소의 기작 및 DNA의 대략적인 구조를 분석하는 것이다.제한효소는 박테리아가 자기방어를 위하여 외부로부터 들어오는 침입자의 DNA를 절단함으로써 바이러스 활동을 제한하는 역할을 한다. 이러한 제한효소를 이용하여 DNA와 반응시키면 각각의 제한효소가 특정한 염기서열을 인식하여 DNA를 절단함으로써 각 절편의 크기를 알 수 있다.전기영동으로 DNA의 양쪽에서 전하를 걸어 ?극을 띄는 DNA와 같은 물질은 agarose, acrylamide등과 같은 물질로 이루어진 gel내부에서 같은 전하를 띄는 -극에서부터 +극으로 그 성질에 따라 다양하게 이동하게 되는데 절단된 DNA는 질량에 따라 띠를 형성한다. lamda DNA, lamda DNA에 ecoR1, hindlll 제한효소를 각각 첨가, 두 개를 같이 첨가하는 총 4개의 시료를 만들어 전기영동을 통하여 결과를 얻는다. 실험을 통해 얻은 전기영동 결과를 보고 제한효소를 사용하였을 때 DNA 절단이 일어난 것을 확인 할 수 있긴 하지만 사용한 제한효소의 염기서열대로 절단되었는지는 정확히 알 수 없다. ape program을 사용해 결과값과 비교하여 제한효소의 염기서열대로 잘 절단되었는지 확인한다.모든 결과값을 비교하였을 때 이론적인 결과와 차이가 남을 알 수 있다. 이는 절단이 제대로 이루어지지 않았거나 전기영동이 제대로 안되었음을 의미한다.제한효소 또는 전기영동에 있어 방해가 되는 원인에는 star 활성, 효소단백질인 제한효소나 다른 불순단백질이 DNA에 결합할 경우 DNA가 gel속으로 잘 들어가지않고, 염색도 잘 되지 않았거나 온도가 조절이 잘되지 않아 효소가 작용이 잘 안되었을 수 있다고 예상한다.2. Introduction1) 실험 목표Lambda DNA를 임의의 제한효소로 절단하고, 이를 전기영동 통해 사용된 제한효소의 기작 및 DNA의 대략적인 구조를 분석한다.2) 실험 원리제한효소:소라고 한다. 그리고 DNA를 제한하는 것은 특수한 DNA효소라는 것을 알게 되었다. 즉, 제한효소에는 크게 3종류가 있어 모두가 특정한 DNA염기 배열을 인식한다. DNA를 자른다는 것은 nucleotide들이 연결되어 있는 phosphodiester 결합을 끊어내는 것을 의미하는데, 이런 역할을 하는 효소를 nuclease라고 하며 바깥쪽을 자르는가 안쪽을 자르는가에 따라서 각각 exonuclease, endonuclease라고 한다.*Type I restriction enzyme은 인식부위는 특이성을 가지지만 그로부터 약 1000 base pair가 떨어진 부위를 절단하기 때문에 원하는 부위를 선택하여 자르기가 어렵다. *Type II restriction enzyme는 인식부위와 절단부위가 모두 특이성이 있는 제한효소이므로 분자생물학 연구에 아주 유용하게 이용된다. 대부분의 type II 제한효소는 4개, 5개 또는 6개의 염기서열을 인식하는데, 이론상 4^6=4096 base pair마다 한번씩 출현하게 된다.*Type III restriction enzyme은 인식한 DNA 부위에서 어느 정도 떨어진 부위를 절단하고 분자생물학 실험에는 잘 사용되지 않는다.DNA는 nucleotide로 구성되는데 인산기는 DNA의 구조를 이루게 될 때 전기적으로 음성을 나타나게 된다. 이에 따라 전기영동으로 DNA의 양쪽에서 전하를 각각 +,-로 걸어주게 된다면 DNA와 같은 물질은 agarose, acrylamide등과 같은 물질로 이루어진 gel내부에서 같은 전하를 띠는-극에서부터 +극으로 그 성질에 따라 다양하게 이동하게 된다. 이러한 전기영동에 영향을 미치는 다양한 요소 중 하나가 바로 질량(weight)이다. 물체가 전기에 영향을 받아 이동할 때 대개 물체의 이동이 그러하듯 전기영동 또한 물질의 질량이 클수록 그 이동속도가 더욱 느려지게 된다. 이에 따라 원하는 크기의 물질을 대략적으로 알고 있다면 DNA ladder marker를 사용하여 분석 및 분리를 DNA가 전기영동을 전개할 때는 circular DNA에 비해 상대적으로 agarose에 대해 더 많은 간섭을 받게 되기 때문에 같은 크기라할 지라도 circular DNA가 linear DNA보다 더 많이 이동하게 된다.*buffer를 사용하는 이유는 제한효소가 잘 작용할 수있게 하기 위해서인데 효소처리시에 효소는 온도에 민감하기 때문에 마지막 순서에 첨가하는 것이 좋다.3. Materials & Methods1) 시약 : 6x DNA loading buffer, Agarose, 10,000x RedSafe, 50x TAE buffer, Restriction enzyme(HindⅢ, EcoRⅠ), Lambda DNA, DNA ladder marker, 10x Restriction enzyme buffer2) 기구 : 전자레인지, DNA 전기영동 기계3)실험 방법① 8개의 Micro-tube를 준비한다.② 다음과 같은 식으로 sample을 제조한다.#1 : Lambda DNA 5 μl + DDW 15 μl + 10x Restriction Enzyme buffer 2 μl#2 : Lambda DNA 5 μl + DDW 14 μl + 10x Restriction Enzyme buffer 2 μl +Restriction Enzyme1 1 μl#3 : Lambda DNA 5 μl + DDW 14 μl + 10x Restriction Enzyme buffer 2 μl +Restriction Enzyme2 1 μl#4 : Lambda DNA 5 μl + DDW 13 μl + 10x Restriction Enzyme buffer 2 μl + Restriction Enzyme1 1 μl + Restriction Enzyme2 1 μl③ Micro-tube를 모두 37℃에서 1시간 정도 반응시켜준다.④ 50x TAE buffer를 1x TAE buffer 1L가 되도록 dilution한다.⑤ 1x TAE buffer 200ml에 Agarose 질량이 1%(weight/volu 붓고 comb를 꽂은 후 굳을 때까지 기다린다.⑨ 각각의 sample에 6x loading buffer가 1x가 되도록 넣어준다.⑩ 전기영동기에 gel이 1x TAE buffer에 잠길 정도로 넣어준다.⑪ Agarose gel에 DNA marker 3 μl 와 각각의 sample을 5 μl를 well에 넣어준다.⑫ 전기영동기를 스위치를 누른 후, Gel의 3/4 정도에 bromophenol blue가 오면 멈추고 gel을 uv-transilluminator로 관찰한다.(대략 40분 정도 소요)⑬ 각각의 결과를 Ape 프로그램을 통해 분석한 후 사용한 제한효소의 종류와 lambda DNA의 구조를 파악한다.(Ape-A plasmid Editor Download : http://jorgensen.biology.utah.edu/wayned/ape/)4. Results#1:control(제한효소 없음)#2:ecoR1#3:hindlll#4:ecoR1+ hindlll*50x TAE buffer는 1X TAE buffer 농도의 50배로, 50x TAE buffer를 증류수로 50배 희석시키면 된다. 총 부피의 1/50을 50x TAE buffer로 채우고 나머지는 증류수로 채우면 된다. 1L의 1X TAE buffer를 만들어야하므로 50x TAE buffer 20ml와 증류수 980ml를 섞으면 된다.*1x TAE buffer 200ml에 Agarose 질량이 1%(weight/volume)가 되도록 Agarose 2g을 넣어준다. (밀도 1g/ml라 가정)*6x loading buffer는 1x(working concentration)의 6배 농축된 buffer로 1/6배 희석해주어 1x loading buffer을 제조한다.총 용액을 6ul로 하여 sample 1ul 6xbuffer 5ul로 하여 1x loading buffer를 만들고 +DNA marker 3ul을 넣어준다.Lamda DNA에 ecoR1 제한효소로 사용Lamda DNA에 hindlll 제한효소로뜨려 인식부위에서 멀리 떨어진 절단부위를 절단하고 type lll제한효소는 효소들마다 자른 길이가 일정하지않다는 단점이 있다. 반면 type ll 제한효소는 DNA 인식부위가 절단부위와 동일하기 때문에 정확성이 뛰어나 생물실험에 효율적인 제한효소로 많이 사용한다.type ll 제한효소는 4~9개의 특수한 염기서열을 인식하여 그 염기서열 부분을 절단한다. 우리가 실험에서 사용한 type ll hindlll의 염기서열은 AAGCTT, ecoR1의 염기서열은 GAATTC로 6개의 염기서열을 인식하고 절단한다. (밑의 제한효소 염기서열 표 참고) 즉 외부에서 침략한 DNA가 GAATTC라는 염기서열을 가지고 있으면 그 부위를 절단하는 것이다.제한효소에 의해 절단된 DNA부위는 생긴 모양에 따라 점착성 말단과 편평말단으로 나눌 수 있다. DNA를 제한효소로 자르거나 물리적인 충격에 의해 DNA가 조각났을 때 위와 같이 DNA의 이중 가닥 중 한 가닥이 돌출된 형태를 점착성 말단이라고 한다. 반대로 DNA를 제한효소 처리시 끝이 튀어나온 부분 없이 이중가닥을 수직으로 잘라 두 가닥 모두 길이가 동일할 때 그 끝 부분을 평판 말단이라고 한다.실험을 통해 얻은 전기영동 결과를 보고 제한효소를 사용하였을 때 DNA 절단이 일어난 것을 확인 할 수 있긴 하지만 사용한 제한효소의 염기서열대로 절단되었는지는 정확히 알 수 없다. ape program을 사용하여 대장균 Lamda DNA의 sequence를 찾아 program에 입력하고 제한효소를 선택하여 얻는 결과값과 비교하여 제한효소의 염기서열대로 잘 절단되었는지 확인한다.(bioneer 회사에서 lamda dna에 제한효소를 첨가하여 얻은 전기영동값과 비교하였을 때 ape program과 같은 절편의 수와 위치를 보이는 것을 확인하였다.)먼저 ape program에서 ecoR1 제한효소를 선택하여 얻은 결과값을 보자. 총 5개의 절편이 위쪽에 몰려서 나타난 것을 확인할 수 있다. 실험결과로 얻은 ecoR1 제한효소 #2를 보면 .
화공생물공학실험 2. Introduction 1. 실험 목표 TiO2 광촉매를 이용한 유기물 분해 반응의 메커니즘을 이해하고 반응특성을 분석한다. 이 과정을 통해 구한 미지 시료의 농도를 이용하여 반응속도 상수와 반응 차수를 구하는 방법을 익힌다. 2. 실험 원리 *광촉매는 특정 반응에서 반응 속도에 영향을 주는 촉매를 말한다. 광촉매는 일반 촉매처럼 반응 속도에 영향을 주는 물질들인데 빛을 받아들여 화학반응에서 반응 속도에 영향을 준다는 점이다. 광촉매 또한 주로 반응을 촉진시키는 정촉매의 역할을 하는 것이 많다. 이러한 광촉매를 사용해서 일으키는 반응을 광촉매 반응이라고 한다. Order of reaction Zero First Second Rate law Rate = k Rate = k[A] Rate = k[A]2 Integrated rate law [A]t = [A]0 ? kt ln[A]t ? ln[A]0 = -kt 1/[A]t ? 1/[A]0 = kt Units of k M/s 1/s 1/(M*s) Linear plot [A] vs t ln[A] vs t 1/[A] vs t Slope -k -k k Half life t1/2 = [A]0/2k t1/2 = 0.693/k t1/2 = 1/(k[A]0) 광촉매 물질로는 TiO2, ZnO2, ZnO, SrTiO3, CdS, GaP, InP, GaAs, BaTiO3, KNbO3, Fe2O3, Ta2O5, WO3, SnO2, Bi2O3, NiO, Cu2O, SiO, SiO2 등이 있다. 이중 TiO2는 안정성과 저렴한 가격 등 이점을 가지고 있어 가장 많이 사용된다. TiO2는 아나타제(anatase), 루타일(rutile), 브루카이트(brookite) 등의 결정상 형태로 존재한다. 이 중에서 광촉매 활성이 높은 아나타제와 루타일상의 TiO2가 상업적으로 널리 활용된다. 아나타제와 루타일상 TiO2는 밴드갭 에너지가 각각 3.2 eV와 3.0 eV로써, 파장이 400 nm 이하인 자외선 영역에서 광촉매의 활성de 이온(·O2-)을 형성하고, 몇 단계의 반응을 통하여 hydroxyl 라디칼을 생성시킨다. 최종적으로 정공과 전자에 의해서 생성된 hydoxyl 라디칼에 의해 유기물이 이산화탄소와 물로 분해된다. 그림 1. 자외선에 따른 TiO2 표면에 표 1. 반응 차수와 이에 따른 속도 상수 밴드갭 에너지 변화 및 이로 생성되는 라디칼 3. Materials & Methods (1) 시약 : 증류수, TiO₂ 분말(Degussa P-25), Methylene blue ※ P-25는 상품명에 해당하는데 TiO2 상은 anatase 70%와 rutile 30% 비로 되어 있으며 입자의 입자크기는 대략 20nm정도이다. ※ Methylene blue는 유기물 염료로서 TiO2의 광촉매적 활성에 의해 분해되는 과정을 UV/VIS 분광기로 확인한다. (2) 기구:마그네틱 스터러, 석영비커, 자외선조사장치, UV/Vis spectrometer.원심분리기 (일반 비커는 자외선 영역에서 빛을 투과시키지 못하기 때문에 석영비커 사용) (3) 실험방법 ? 제조된 10 ppm 농도의 methylene blue solution을 석영 비이커에 200 ml 옮긴다. (1 ml의 시료를 미리 마이크로 튜브에 분취한다.) (광촉매 반응을 진행하기 전에 methylene blue solution의 농도를 재확인하기 위함.) ? 석영 비이커에 0.5 g의 TiO2를 첨가하고 마그네틱 스터러를 이용 5 min 300 rpm으로 분산시킨다. (5분간 분산 후에 비이커에서 시료를 1.5 ml 채취하여 tube에 넣고 원심분리기로 1000rpm 으로 10분간 돌린다.) (methylene blue가 TiO2에 흡착 될 수 있기 때문에 광촉매 반응의 활성정도를 판단하는데 장애를 줄 수 있다.) ? 5분간 분산시킨 ?의 용액에 자외선을 조사한다. ? 자외선 조사후 10분 간격으로 시료를 1.5ml 분취하며 이를 60분동안 진행한다. ? 분취한 시료를 10min, 10000rpm으로 원심분리. (상등액이 현탁.001 1 0 663.0 23.3 8.73 1.059 2 10 663.0 23.3 9.75 1.011 3 20 663.0 23.3 11.94 0.923 4 30 663.0 23.3 19.03 0.721 5 40 663.0 23.3 27.77 0.556 6 50 663.0 23.3 43.38 0.363 7 60 663.0 23.3 59.58 0.225 Methylene blue UV-vis absorbance (at 663nm)를 이용하여 농도(ppm)를 계산한다. x축은 methylene blue의 농도, y축은 흡광도로 y=0.2208X-0.0343식을 만족한다. 실험의 농도 단위는 ppm을 사용하였는데 표 1. 반응 차수와 이에 따른 속도 상수 식을 사용하기 위해서는 단위는 mol이어야하고 ppm은 매우 작은 단위이므로 mM단위로 환산하여 계산한다. (methylene blue 분자량: 319.85) 1~ppm=~ {1mg``methylene`blue} over {L} TIMES~ {methylene`blue~mmol} over {319.85mg``methylene`blue} = {methylene`blue`mmol} over {319.85~L} = {mM} over {319.85} t 흡광도 농도(ppm) 농도[mM] 0 1.059 4.95154 0.015481 10 1.011 4.734149 0.014801 20 0.923 4.335598 0.013555 30 0.721 3.420743 0.010695 40 0.556 2.67346 0.008358 50 0.363 1.799366 0.005626 60 0.225 1.174366 0.003672 반응차수에 따른 모든 속도상수식에 대입하여 몇차식인지 예측한다. 그래프의 기울기가 선형, 즉 R2이 1에 가까울수록 일치하는 값이고 y절편이 0에 가까울수록 반응차수가 일치한다고 본다. CA: methylene blue 농도, CA0: 초기 methylene blue 농도 ① Zero- order 0차 반응의 경(CA/CA0) 0 0 10 -0.04492 20 -0.13286 30 -0.36984 40 -0.61639 50 -1.01221 60 -1.43888 1차 반응의 경우, lnCA = -kt + lnCAo이고 이는 ln(CA/CA0) = -kt 이다. y= -0.0241x +0.2501로 나타났고 R2 = 0.9181이고 k역시 기울기인 0.0241이다. y절편은 0.2051이다. ③ Second-order 2차반응식을 적분하여 1/CA ? 1/CA0=kt 식을 구하고 농도를 mM으로 계산한다. 시간 1/CA-1/CA0 0 0 10 2.967692 20 9.178205 30 28.90633 40 55.05054 50 113.1509 60 207.7358 y=3.1766x-35.728 을 나타내며, R2=0.8055이고 k는 3.1766이다. y절편은 ?35.728이다. R2이 1에 가까울수록 일치하는 값이고 y절편이 0에 가까울수록 반응차수가 일치하는 경우와 가장 유사한 결과가 나온 식은 0차반응식으로 반응은 0차반응이라 예측한다. rA = k= 0.002 이다. 광촉매(일정 파장의 빛을 쬐었을 경우, 활성을 보이는 촉매. 대표적인 예로 산화티탄)의 분해능력을 평가하는 방법으로 주로 쓰이고 있다. 역시 반응 전후 분석하는 것이 다른 반응계에 비해 비교적 간단하기 때문이다. 광촉매반응에 의해 색소가 분해되는 반응식은 복잡하므로 생략하고 일반적인 실험방법으로는, 광촉매 박막에 일정 농도의 메틸렌 블루 용액을 흡착시켜서 빛을 조사(照射) 또는 메틸렌 블루 용액에 광촉매분말을 넣어 분산시킨 후, 빛을 조사. 그래서 반응 전후의 메틸렌 블루 농도를 비교함으로써 그 광촉매가 어느 정도의 분해능력을 가지고 있나 알 수 있다. 여기서 쓰이는 것이 바로 UV-vis 흡광도 분석이다. 즉, 용액에 가시광선~자외선 영역의 빛을 쬐어, 그 흡수 스펙트럼을 측정하고, 흡수 강도에서 정량분석을, 흡수파장에서 정성분석이 가능하다. 메틸렌 블루 수용액은 대체로 660 nm에서 흡수가 일어른 방식을 이용해보고자 한다. Methylene blue UV-vis absorbance를 이용하는 방식 외에도, 두번째 방법은 Beer의 법칙을 이용한다. 주어진 파장에서, 물질의 흡광도는 빛이 통과한 거리가 일정할 때 농도에 비례한다는 성질을 이용한 것이며, A = 로 나타낸다. 이때 각 A: 흡광도(Absorbance), : 흡광계수(Absorption coefficeient, 1/(M*cm)), b: 빛이 시료를 통과한 거리(cm), C: 시료의 몰 농도(M)를 나타낸다. 흡광계수 는 농도를 일고 있는 표준시료로부터 흡광도, 거리를 이용하여 구할 수 있다. 이 실험의 경우 첫번째 시료, 즉 자외선을 조사하지 않은 methylene blue 용액의 농도를 알고 있으므로 이 시료를 통해 흡광계수를 구하도록 한다. 이 때의 k값은 0.0199/min이고, 처음 구한 0.0192/min과의 오차는 (0.0199-0.0192)/0.0192 = 0.0364 즉, 약 3.64%의 오차만이 나타났으며 이는 두 방법 모두 흡광도에 따른 농도를 계산함에 있어 같은 결과를 얻었으며 적은 오차를 가진다는 것을 알 수 있다. 실험의 결과에 대한 정확성 많은 연구에 따르면, methylene blue의 광촉매 반응에서의 속도법칙은 methylene blue의 농도에 관하여 1차 함수를 따른다고 보여져왔다. 따라서 이번 실험은 성공적이며, 높은 정확도(R2) 값을 가지고 있다고 말할 수 있다. 이번 실험에서 높은 정확도를 보일 수 있었던 이유로는, 가장 먼저 실험이 자동화되어있다. 자외선을 조사하는 장치, 원심분리장치, UV spectrometer 등 이번 실험에서 주로 사용된 기계는 자동으로 시간을 측정하거나, 결과를 나타낸다. 따라서 사람의 손으로 조작함으로써 나타나는 오차가 발생할 확률이 줄어들고, 이로 인해 높은 정확도를 얻을 수 있었을 것이다. 특별히 사람의 손을 거치는 것은 TiO2를 0.5g 첨가하는 부분인데, 이 또한 그래프를 통해 상대적인 농도의 감소량을 측정하기-16
지구환경과학캐나다 온타리오주의 워커턴 마을에서 2000년 5월 17일, 상수도 오염사고가 발생해 수돗물에 들어 있는 병원성 대장균에 감염되어 4명이 숨졌으며 20여명이 입원해 이 중 10여명은 위독한 상태에 빠지는 일이 발생했다고 한다. 사건 2주일 전에 내린 큰 비로 인해 하수나 축산폐수가 상수원에 유입되어 일어났을 것으로 추정하고 있다. 이런 짧은 시간 동안 오염으로도 사람이 죽었다는 사실에 놀랐다.갑작스럽게 많은 설사 환자가 발생하자, 워커턴 수도사업소는 환자가 발생한 상태에서도 수돗물에 잔류염소량이 충분하다는 사실 하나만으로 수돗물이 안전하다는 결론을 내렸고, 그 결과 수많은 시민들이 수돗물에 오염되어 있는 병원성 대장균에 감염되어 치사사고가 확대된 것이다. 캐나다 같은 선진국인 나라임에도 불구하고 물 오염을 막지 못했다는 것에 우리나라 또한 안심할 수 없다는 생각이 들었다.이 사례를 통해 물의 오염이 인간을 죽음으로 몰아갈 만큼 얼마나 치명적인지 알 수 있다.동영상을 보며 수질오염 문제에 대해 더 찾아보게 되었고 인류의 40%인 26억명은 아직도 오염된 물을 식수로 사용하며, 이로 말미암아 매년 어린이 20여만명이 이로 인해 죽는다고 한다. 아직도 이런 일이 급격히 발전해온 현재에도 많은 영향을 끼치며 발생하고 있다는 사실이 믿기지 않았다.물은 생명의 원천이자 인류 문명의 시작이라 해도 과언이 아니다. 지난 수천년 동안 인류 문명은 물과 함께 성장해 왔고 번영을 누렸다. 그러나 이제 인간이 그 모태를 위협하고 있다. 세계 곳곳에서 수질오염과 물부족으로 고통당하고 지역간·국가간 물분쟁이 끊이지 않고 있다. 물의 위기는 지금 놀라울 정도로 급작스럽게 우리에게 다가오고 있다. 물의 위기는 곧 인간의 위기이고 생명의 위기이다.물 문제는 이제 전 세계적으로 가장 심각한 환경문제로 인식되고 있다. 수질오염과 지구온난화로 인한 가뭄으로 사용 가능한 물이 점점 부족해지고 있다. 이제 물 부족 문제는 열대지방이나 건조한 기후를 가진 나라에 한정된 2025년에는 52개국 약 30억명의 사람들이 물 부족 때문에 고통을 겪을 것이라고 전망되고 있으며, 이에 따라 수자원문제가 국제분쟁의 주요 원인 중 하나가 되는 등 국제안보의 쟁점으로 부상할 것이라는 전망까지 나오고 있다.
화공생물공학실험 람다DNA
