성균관대학교(총장 유지범) 바이오메카트로닉스학과 박진성 교수 연구팀이 세계 최초로 진동 장치를 탑재한 휴대용 전기화학 중금속 검출 시스템을 개발해 극소량의 납(Pb2+)과 카드뮴(Cd2+)을 높은 민감도로 검출하는 데 성공했다고 12일 밝혔다.

이번 연구는 환경 독성 물질을 신속하게 현장에서 검출할 수 있는 시스템을 제시한 것으로 논문은 센서 분야 최우수 저널 중 하나인 Sensors and Actuators B-Chemical에 지난 10월 24일 게재됐다.

박 교수 연구팀은 차별화된 기술로 기존 탄소 전극 위에 그라파이트-비스무스 나노 판을 배치하고 양성자 전도체 나피온(Nafion) 막을 코팅한 후 진동 장치를 추가해 중금속 이온의 검출 신호를 크게 향상시켰다. 진동을 통해 중금속 이온의 확산이 촉진되어 더욱 많은 이온이 전극 표면에 붙게 되며 그 결과 납 이온은 최대 540%, 카드뮴 이온은 511% 검출 효율이 향상했다.

이번 연구에서 사용된 차등펄스 양극벗김전압법(DP-ASV)은 중금속이 붙고 떨어지는 과정에서 발생하는 전류와 전위 곡선을 분석하여 금속 종류와 농도를 구별한다. 이를 통해 실험실 환경에서는 납 이온 0.98nM, 카드뮴 이온 1.65nM, 식수에서는 납 4.49nM 및 카드뮴 14.89nM, 토양에서는 각각 0.94nM 및 7.10nM 농도까지 중금속 이온을 동시 검출하는 데 성공했다.

연구팀은 현장 테스트를 위해 금속 제련소를 기점으로 낙동강 상류와 하류에서 물을 채취하여 센서를 이용한 검출 실험을 진행했다. 실험 결과 카드뮴 이온은 검출되지 않았으며, 납 이온은 상류에서 1.66nM, 하류에서는 18.88nM가 검출됐다. 이는 현장에서 사용되는 중금속 분석 장비 ICP-MS가 보여주는 것과 유사한 결과로 본 시스템이 현장 감지 센서로 활용될 수 있는 가능성을 보여준다.

박 교수는 “기존 연구에서 개발한 센서는 실제 현장에서 여러 이물질로 인해 정확한 측정이 어려웠다”면서 “이번에 개발한 센서는 실제 환경에서도 중금속을 신속하고 민감하게 검출할 수 있어 새로운 시스템의 기초 기술이 될 가능성이 크다”며 “향후 환경 모니터링과 공공 보건 분야에 적용되기를 기대한다”고 밝혔다.

이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업, 바이오의료기술개발사업, 창의·도전연구기반지원사업, Post-Doc. 성장형 공동연구사업과 SMC-SKKU 미래융합연구사업의 지원을 받아 수행됐다.