수질 센서

스코틀랜드, 포르투갈, 독일의 대학 연구진으로 구성된 팀이 물 시료에서 매우 낮은 농도의 살충제 존재 여부를 감지할 수 있는 센서를 개발했습니다.
오늘 고분자 재료 및 공학 저널에 발표된 새로운 논문에 설명된 그들의 연구는 수질 모니터링을 더 빠르고, 쉽고, 저렴하게 만들 수 있을 것입니다.
전 세계 농업에서는 작물 손실을 막기 위해 살충제가 널리 사용됩니다. 그러나 토양, 지하수 또는 해수로 소량이라도 유출되면 인간, 동물 및 환경 건강에 해를 끼칠 수 있으므로 각별한 주의가 필요합니다.

수질 오염을 최소화하고 물 시료에서 살충제가 검출될 경우 신속하게 조치를 취하기 위해서는 정기적인 환경 모니터링이 필수적입니다. 현재 살충제 검사는 주로 크로마토그래피 및 질량 분석법과 같은 방법을 사용하여 실험실 환경에서 수행됩니다.
이러한 검사들은 신뢰할 수 있고 정확한 결과를 제공하지만, 수행하는 데 시간이 많이 걸리고 비용이 많이 들 수 있습니다. 유망한 대안 중 하나는 표면 증강 라만 산란(SERS)이라는 화학 분석 도구입니다.
빛이 분자에 닿으면 분자의 구조에 따라 서로 다른 주파수로 산란됩니다. SERS(표면 증강 라만 분광법)는 과학자들이 분자가 산란시키는 고유한 "지문"을 분석하여 금속 표면에 흡착된 시료 내 잔류 분자의 양을 검출하고 식별할 수 있도록 해줍니다.
금속 표면을 변형하여 분자를 흡착할 수 있도록 함으로써 이러한 효과를 향상시킬 수 있으며, 이를 통해 시료 내 낮은 농도의 분자를 감지하는 센서의 능력을 개선할 수 있습니다.
연구팀은 시중에서 구할 수 있는 3D 프린팅 소재를 사용하여 물 시료에 분자를 흡착시키고 현장에서 정확한 초기 결과를 제공할 수 있는 새롭고 휴대성이 뛰어난 테스트 방법을 개발하는 데 착수했습니다.
이를 위해 연구팀은 폴리프로필렌과 다중벽 탄소나노튜브 혼합물로 만든 여러 종류의 세포 구조를 연구했습니다. 이 구조물들은 일반적인 3D 프린팅 방식인 용융 필라멘트를 사용하여 제작되었습니다.
전통적인 습식 화학 기술을 사용하여 은 및 금 나노입자를 세포 구조 표면에 증착함으로써 표면 증강 라만 산란 과정을 가능하게 합니다.
연구진은 여러 가지 3D 프린팅 세포 재료 구조가 유기 염료인 메틸렌 블루 분자를 흡수하고 흡착하는 능력을 테스트한 후 휴대용 라만 분광기를 사용하여 분석했습니다.
초기 테스트에서 가장 우수한 성능을 보인 물질, 즉 은 나노입자에 결합된 격자 구조(주기적인 세포 구조)를 테스트 스트립에 첨가했습니다. 소량의 실제 살충제(시람과 파라콰트)를 해수 및 담수 샘플에 첨가한 후 테스트 스트립에 올려 SERS 분석을 수행했습니다.
이 물은 포르투갈 아베이루의 강 하구와 같은 지역의 수도꼭지에서 취수되며, 수질 오염을 효과적으로 모니터링하기 위해 수도꼭지에서 나오는 물은 정기적으로 검사됩니다.
연구진은 해당 검사지가 1마이크로몰만큼 낮은 농도의 살충제 분자 두 개를 감지할 수 있다는 사실을 발견했는데, 이는 백만 개의 물 분자당 살충제 분자 한 개에 해당합니다.
글래스고 대학교 제임스 와트 공과대학의 샨무감 쿠마르 교수는 이 논문의 저자 중 한 명입니다. 이번 연구는 독특한 특성을 지닌 나노공학적 구조 격자를 제작하기 위해 3D 프린팅 기술을 활용하는 그의 기존 연구를 기반으로 합니다.
"이번 예비 연구 결과는 매우 고무적이며, 이러한 저비용 소재를 사용하여 매우 낮은 농도에서도 살충제를 감지할 수 있는 SERS 센서를 생산할 수 있음을 보여줍니다."
이번 논문의 공동 저자인 아베이루 대학교 CICECO 아베이루 재료 연구소의 사라 파테익사 박사는 SERS 기술을 지원하는 플라즈마 나노입자를 개발했습니다. 본 논문에서는 특정 유형의 수질 오염 물질을 감지하는 시스템의 능력을 살펴보았지만, 이 기술은 수질 오염 물질의 존재 여부를 모니터링하는 데에도 쉽게 적용될 수 있습니다.