바이오메카트로닉스학과 박진성 교수-한국교통대 이원석 교수 연구팀,

방류수 내 질병 유발 중금속 검출 센서 개발

- 향후 실제 환경 정밀 모니터링을 위한 기술로 응용 기대

▲ (왼쪽부터) 바이오메카트로닉스학과 박주형 박사(제1저자), 박진성 교수(교신저자), 한국교통대 이원석 교수(교신저자), 바이오메카트로닉스학과 김민우 박사과정(제1저자)

국내 연구진이 세계 최초로 비스무스 나노플레이트(Bismuth nanoplate, 이하 BiNP)*와 나피온(Nafion)*을 이용하여 수돗물과 방류수 등 수질 환경에서 질병을 유발하는 중금속(납과 카드뮴)의 초고민감도 검출에 성공하였다. 성균관대 바이오메카트로닉스학과 박진성 교수 연구팀과 한국교통대학교 이원석 교수 연구팀이 공동으로 진행한 연구 결과는 Top 9% 국제학술지 ACS Sustainable Chemistry&Engineering(Impact Factor: 9.224)에 속표지 논문(supplementary cover)으로 4월 21일(금) 온라인 게재되었다.

* 비스무스(Bismuth): 화학 원소이며 기호는 Bi, 번호는 83, 원자량은 208.980이다. 비스무스는 대부분 금속이나 합금으로 쓰인다.

** 나피온(Nafion): 나피온은 술폰화 테트라플루오르에틸렌(sulfonated tetrafluoroethylene) 기반의 플루오르 폴리머 중합체(fluoropolymer-copolymer)의 상표명이다. 나피온은 양성자 전도체로 주목을 받으며, proton exchange membrane으로 사용된다.

연구팀은 분석하고자 하는 금속이 용해된 용액에 전압을 주어 붙이고 뗄 때 발생하는 금속 고유의 전류전위 곡선을 분석하는 방법인 양극벗김전압법(Anodic Stripping Voltammetry)을 이용하였다. 특히, 양극벗김전압법의 검출 신호를 극대화하기 위해서는 표면에 붙고 떨어지는 중금속의 양이 증가하여야 하고, 이는 전극의 구조와 재료에 따라 결정된다.

이를 위해, 중금속 친화도가 높은 BiNP를 유리탄소막대전극(Glassy Carbon Electrode, 이하 GCE) 위 기능화하여 표면적을 증가시킬 뿐 아니라, 나노플레이트의 모서리에서 전자가 증폭되는 현상(edge-effect)을 이용해 신호를 극대화하였다. 또한, 양이온만 선택적으로 통과시키는 나피온(Nafion)막을 BiNP/GCE 위 기능화하여 센서의 선택도를 증가시켰다.

나피온막과 BiNP의 시너지효과로 수질 내 실험실 환경에서 극저농도인 납을 178pM(pico molar, 10-12M), 카드뮴을 376pM 농도까지 동시 검출하는 데 성공하였으며 실제 수돗물에서는 납 0.22nM(nano molar, 10-9M), 카드뮴 4.08nM의 검출 능력을 보였다.

실제 서남물재생센터에서 하수처리 후 방류하는 물을 채취하여 납과 카드뮴을 첨가한 후 측정한 결과 납 5.72nM, 카드뮴 33.72nM 검출 가능하였다.

교신저자인 바이오메카트로닉스학과 박진성 교수는 "본 연구에서 제안하는 기술은 납과 카드뮴뿐 아니라 다양한 질병 유발 중금속을 검출하기 위한 초석 연구로 활용될 가능성이 크다."고 하였고, 한국교통대 이원석 교수는 "향후 실제 환경 정밀 모니터링을 위한 기술로 응용되기를 기대한다."고 전했다.

연구에 참여한 김민우 박사과정은 "이번 연구를 기반으로 향후 현장에서 사용될 수 있는 휴대용 모니터링 시스템을 구축할 수 있도록 연구에 정진하고자 한다"고 앞으로의 포부를 밝혔다.

본 연구는 한국환경산업기술원의 환경기술개발사업(2019002800009), 한국연구재단(NRF-2023R1A2C2004964, NRF-2022R1A2C4001990, NRF-2022R1I1A1A01066196), 교육부(2021RIS-001)와 SMC-SKKU 미래융합연구사업의 지원으로 진행되었다.

○ 관련 언론보도

 - 방류수 내 질병 유발 중금속 검출 센서 개발 <이웃집과학자, 2023.04.26.>
 - 성균관대 박진성 교수-한국교통대 이원석 교수 공동연구팀 방류수 내 질병 유발 중금속 검출 센서 개발 <베리타스알파, 2023.04.26.>
 - 박진성 성균관대 바이오메카트로닉스학과 교수, 방류수 내 질병 유발 중금속 검출 센서 개발 <스마트경제, 2023.04.26.>