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  1. 2011.01.30 고감도 금속이온 탐지기 소형화 기술 개발
2011. 1. 30. 20:32 대덕밸리과학소식/KAIST

다양한 금속이온은 체내의 효소를 활성화하고 비타민의 구성 성분으로써 중요한 역할을 합니다.

예를 들어 구리이온을 함유하는 단백질 중 효소 기능을 가진 것은 산소를 활성화하고 유기화합물의 산화반응을 위한 촉매로 사용되며, 식물이나 동물에게 필수 무기물질로 분류됩니다.

그러나 일정농도 이상 존재하면 흔히 윌슨(Wilson)병이라고 알려져 있는 구리과잉축적증으로 분류되기도 합니다.

또한 수은이나 납과 같은 일부 중금속은 미량으로도 인체 혹은 환경에 유해할 수 있으므로 그 감지가 중요합니다.

금속이온을 측정하기 위해서는 원자 흡수 분광도법과 유도결합 플라즈마 질량분석기를 이용하는 방법 등이 있습니다.

그러나 이들은 거대한 장비를 이용해야 하기 때문에 휴대성이 떨어집니다.

이 휴대성 문제를 해결하기 위해 많은 연구들이 진행되고 있는 데, 대부분 양자점(quantum dot)을 이용하거나 형광단(fluorophore)을 이용하는 센서로 금속이온 감지를 위해 복잡한 접합과정을 거쳐야 합니다.

또한 양자점은 그 자체가 중금속으로 이루어져 있어 독성이 있으며, 형광단을 이용한 센서는 수용액에서의 용해도가 낮아 적용하는 데 한계가 있습니다.

KAIST 홍원희 생명화학공학과 교수팀이 나노구조를 갖는 카본 나이트라이드를 이용해 다른 물질의 도움 없이 금속이온을 손쉽게 감지할 수 있는 고감도 센서 개발 원천기술을 확보했습니다.

홍원희 교수

이은주 박사과정


연구팀은 고유의 발광성을 가지는 카본 나이트라이드(graphitic carbon nitride)에 3차원 입방체 형태의 나노구조를  유도해 본연의 광학적 성질을 조절함으로써, 독성이 없고 별도의 접합이 필요 없는 효율적인 센서를 개발했습니다.

특히 이 센서는 기존의 휴대용 센서를 목적으로 개발된 물질보다 감도가 10배 이상 뛰어나기 때문에 장비 휴대가 불가능한 원자 흡수 분광도법과 유도결합 플라즈마 질량분석기를 이용하는 방법과 유사한 감도를 나타냅니다.

이번 연구성과를 기반으로 나노구조를 가지는 카본 나이트라이드를 이용해 폐수에 존재하는 금속 이온의 초고감도 감지도 가능하게 됨으로써, 주변 환경이 금속 이온에 의해 얼마나 노출되어 있는지 혹은 오염되어 있는지를 손쉽게 알 수 있습니다.

또한 카본 나이트라이드의 생체 적합성을 이용해 몸속의 혈액 내에 존재하는 금속 이온의 농도까지 쉽고 간단하게 감지 가능한 센서를 구현할 수 있으며, 나노 크기의 카본 나이트라이드 입자를 이용해 체내의 질병치료를 위한 약물 전달 시스템에 적용하고자 약물 전달체로의 활용이 가능할 것으로 보입니다.

이번 연구는 교육과학기술부에서 시행하는 미래기반기술개발사업의 지원을 받아 수행됐으며, 화학 분야의 세계적 학술지인 '앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition)'지 2010년 12월호에 게재됐습니다.

좌)3차원 입방체형태의 나노구조를 가지는 카본 나이트라이드의 투과전자현미경 이미지이며, 이미지 위의 화학 구조는 카본 나이트라이드의 화학 구조를 보여주고 있다.
우)구리 이온이 증가함에 따라 카본 나이트라이드의 형광이 감소되는 것을 보며주는 그래프와 함께 카본 나이트라이드의 형광이 감소되는 것을 형광현미경을 통해서 직접 관찰한 이미지 이다.


 용  어  설  명

카본 나이트라이드
: 카본 나이트라이드는 탄소와 산소가 번갈아 공유결합을 형상하고 있는 이원화합물로써 그 기계적 강도가 다이아몬드와 견줄 만하여 주목 받기 시작했음.

원자 흡수 분광도법(Atomic Absorption Spectroscopy)
: 기저 상태의 원자가 이 원자 증기층을 투과하는 특유 파장의 빛을 흡수하는데 이 때 특유 파장에 대한 흡광도를 측정하여 시료의 농도를 정량하는 방법.

유도결합 플라즈마 질량분석기(Inductively Coupled Plasma Mass Spectroscopy)
: 아르곤 플라스마로 원소를 이온화시키고, 질량분석기로 이온을 분리하여 시료 중의 원소를 분석하는 데 사용되는 기기.

양자점(Quantum Dot)
: 화학적 합성 공정을 통해 만드는 나노미터 크기 반도체 결정체.

형광단(Fluorophore)
: 형광물질의 형광을 내는 원인이 되는 원자단.

posted by 글쓴이 과학이야기

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