박진성 교수 연구팀이 세계 최초로 자가 조립 파라페닐렌디아민* 나노입자(Self Assembled p-Phenylenediamine nanoparticle, SAp-PD)를 이용하여 테프론 코팅된 프라이팬 조리 시 발생하는 과불화옥탄산(Perfluorooctanoic acid, PFOA)의 초고민감도 검출에 성공하였다. 바이오메카트로닉스학과 박진성 교수 연구팀은 이 같은 내용을 환경 과학 분야 Top 3% 국제학술지 ‘Journal of Hazardous Materials’에 4월 6일자로 출간하였다. 

* 파라페닐렌디아민(p-Phenylenediamine, p-PD) : 염색약 성분 중 하나로 아민기(-NH2)를 양 끝단에 가지는 유기 화합물. 상온에서는 흰색의 가루 형태로 존재하지만, 수용액 상에서 산화가 되면 적갈색을 띠는 것이 특징임. 

PFOA는 계면활성제의 특성과 함께 내열성 및 오염 방지 특성이 있어 산업 전반에 걸쳐 널리 사용됐으며 특히, 프라이팬 등의 조리도구 코팅제로 사용됐다. 하지만, 세계보건기구(WHO) 산하의 국제 암 연구소(IARC)가 인간에게 발암 가능성이 있는 ‘그룹 2B’로 분류하며 사용이 제한됐고, 지난 2018년 대구 수돗물에 과불화화합물이 기준치 이상으로 검출되어 사회적 이슈가 된 이래로 PFOA의 고민감 검출에 대한 중요성이 대두되어왔다. 

연구팀은 특정 파장의 레이저를 분석하고자 하는 물질에 조사할 때 발생하는 고유한 스펙트럼을 감지하고 분석 가능한 라만 기술을 검출에 이용하였다. 라만 기술은 마치 사람의 지문이 서로 다른 것처럼 물질마다 고유의 스펙트럼을 가지고 있다. 특히, 라만 신호를 극대화하기 위해 표면 증강 라만 분광(Surface Enhanced Raman Spectroscopy, SERS) 방법을 적용하였고, 이는 분석 물질이 붙는 기판의 나노 구조에 따라 성능이 결정된다. 이를 위해 본 연구팀은 잔디 형상의 은 나노잔디 구조체(Silver Nanograss)를 제작하여 SERS 기판으로 사용하였고, 은 나노잔디 구조체 기판 위에서 고유한 라만 스펙트럼을 가진 SAp-PD의 신호를 PFOA 처리 전/후로 측정하여 라만 강도의 차이를 분석하였다. 

파라페닐렌디아민(p-PD)은 수용액 상에서 시간이 지남에 따라 산화되면 스스로 구형의 나노 입자가 되는 성질과 함께 특정 라만 스펙트럼을 가지고 있다. 이때, PFOA와 반응을 하면 p-PD 나노 입자 구조가 붕괴하는 현상과 함께 라만 스펙트럼의 강도가 감소한다. 본 연구팀은 이러한 메커니즘을 세계 최초로 응용하여 초고민감 PFOA 검출 센서 기술을 개발하였다. 

연구팀은 증류수 상에서 PFOA를 SAp-PD를 이용해 극저농도인 1.28pM(pico molar, 10-12M) 농도까지 검출하였고, 실제 수돗물에서는 1.6nM(nano molar, 10-9M) 농도로 검출하였다. 또한, 실제 테프론이 코팅된 프라이팬을 철 수세미로 긁었을 때와 프라이팬에서 조리한 즉석 밥에서도 PFOA를 각각 1.69nM, 10.3μM(micro molar, 10-6M)의 농도까지 검출하는 데 성공하였다. 

박진성 교수는 “본 연구에서 제안하는 기술은 과불화화합물뿐 아니라 다양한 환경 독성 물질을 검출하기 위한 초석 연구로 활용될 가능성이 크다.”며 “향후 실제 환경 정밀 모니터링을 위한 기술로 응용되기를 기대한다.”라고 밝혔다.

또한, 이번 실험을 진행한 박현준 박사과정은 “이번 연구를 기반으로 과불화옥탄산뿐만 아니라 실제 환경에 노출되어 인체에 유해함을 보이는 독성 물질들을 찾아 더욱 민감하게 검출 가능한 멀티 센싱 플랫폼을 구축하고 싶다.”라고 포부를 밝혔다. 

본 연구는 한국환경산업기술원의 환경기술개발사업과 한국연구재단(기초과학연구, 중견연구)의 지원을 받아 진행되었다. 

한편, 박진성 교수는 방류수 내 질병 유발 중금속 검출 센서를 개발한 연구 성과를 국제학술지 ACS Sustainable Chemistry&Engineering(IF: 9.224)에 4월 21일 게재하는 등 질병유발 환경의 독성물질 검출 연구에 박차를 가하고 있다.

※ 논문명: Ultra-sensitive SERS detection of perfluorooctanoic acid based on self-assembled p-phenylenediamine nanoparticle complex

※ 저널: Journal of Hazardous Materials, IF: 14.224 

※ https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0304389423006672?via%3Dihub