방류수 내 질병 유발 중금속 검출 센서 개발
방류수 내 질병 유발 중금속 검출 센서 개발
  • 함예솔
  • 승인 2023.04.26 12:43
  • 조회수 1636
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저널 표지. 출처 : 성균관대학교
저널 표지. 출처 : 성균관대학교

국내 연구진이 세계 최초로 비스무스 나노플레이트(Bismuth nanoplate, 이하 BiNP)[1]와 나피온(Nafion)[2]을 이용하여 수돗물과 방류수 등 수질 환경에서 질병을 유발하는 중금속(납과 카드뮴)의 초고민감도 검출에 성공했습니다.

 

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

 

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 극대화했습니다. 또한, 양이온만 선택적으로 통과시키는 나피온(Nafion)막을 BiNP/GCE 위 기능화하여 센서의 선택도를 증가시켰는데요.

수질 내 납과 카드뮴 검출을 위한 유리탄소막대전극의 개략도. 출처 : 성균관대학교
수질 내 납과 카드뮴 검출을 위한 유리탄소막대전극의 개략도. 출처 : 성균관대학교

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 보였습니다. 실제 서남물재생센터에서 하수처리 후 방류하는 물을 채취하여 납과 카드뮴을 첨가한 후 측정한 결과 납 5.72nM, 카드뮴 33.72nM 검출을 했습니다.

 

교신저자인 성균관대 박진성 교수는 “본 연구에서 제안하는 기술은 납과 카드뮴뿐 아니라 다양한 질병 유발 중금속을 검출하기 위한 초석 연구로 활용될 가능성이 크다.”라고 하였고, 한국교통대 이원석 교수는“향후 실제 환경 정밀 모니터링을 위한 기술로 응용되기를 기대한다.”고 전했습니다. 연구에 참여한 김민우 박사과정은 “이번 연구를 기반으로 향후 현장에서 사용될 수 있는 휴대용 모니터링 시스템을 구축할 수 있도록 연구에 정진하고자 한다”라고 앞으로의 포부를 밝혔습니다.

연구 결과는 국제학술지 ACS Sustainable Chemistry&Engineering(Impact Factor: 9.224)에 속표지 논문(supplementary cover)으로 4월 21일 온라인 게재됐습니다.

 

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

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


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