금속 이온 감지, 이젠 간편하고 안전하게
상태바
금속 이온 감지, 이젠 간편하고 안전하게
  • 박진현 기자
  • 승인 2011.04.10 22:47
  • 댓글 0
이 기사를 공유합니다

카본 나이트라이드를 이용한 금속 이온 감지 센서의 원천 기술 확보해

생명화학공학과 홍원희 교수팀이 나노구조를 갖는 카본 나이트라이드를 이용해 다른 물질의 도움 없이 금속 이온을 손쉽게 감지할 수 있는 고감도 센서의 원천기술을 확보하는 데 성공했다.

이번 연구결과는 화학 분야 학술지인 <앙게반테 케미> 12월호에 게재되었다.


인체에 해로운 금속 이온을 감지해야

금속 이온은 비타민의 구성 성분으로, 체내 효소를 활성화하는 중요한 역할을 한다. 하지만, 수은이나 납과 같은 일부 중금속은 미량으로도 인체에 나쁜 영향을 미칠 수 있어 지속적인 감지가 필요하다. 홍 교수팀에서는 이러한 중금속 중 구리 이온을 감지하는 기술에 대해 연구를 해왔다.

구리 이온은 효소 기능을 가진 단백질이 산소를 활성화하는 데 이용되며, 유기 화합물의 산화 반응을 위한 촉매로 사용된다. 구리 이온은 식물이나 동물에게는 꼭 필요한 필수 무기물질로 분류된다. 하지만, 구리 이온이 체내에 일정 농도 이상 존재하면 윌슨 병이라고 알려진 구리 과잉축적증이 유발된다. 윌슨 병은 구리 대사 이상 때문에 간, 뇌, 각막, 신장 및 적혈구에 구리가 침착되어 생기는 열성 유전질환이다. 따라서 윌슨 병 환자에게는 주변 환경에 존재하는 구리 이온의 감지가 중요하다.


카본 나이트라이드 이용해 금속 이온의 농도를 측정

금속 이온 농도는 금속 이온이 특정 물질의 작용기에 결합할 때 나타나는 농도변화 양상을 측정해 확인할 수 있다. 홍 교수팀은 카본 나이트라이드(Graphitic Carbon Nitride)라는 물질을 이용해 금속 이온의 농도를 측정했다.

카본 나이트라이드의 표면에는 1차 아민기(-NH2), 2차 아민기(-NH-), 이민기(-N=)와 같은 작용기가 많이 존재한다. 따라서 금속 이온이 게의 집게발로 잡은 것과 같은 모양으로 작용기에 결합할 수 있다. 이러한 결합을 킬레이트 결합이라 한다.

킬레이트화 된 금속 이온은 표면 작용기로부터 전자를 전달받게 된다. 전자가 금속 이온으로 전달되어 카본 나이트라이드의 에너지가 떨어질 때, 빛의 형태로 에너지가 방출된다. 따라서 수용액 상에 존재하는 금속 이온의 농도가 짙을수록 카본 나이트라이드가 고유의 빛을 잃는 정도가 높아진다. 이때 카본 나이트라이드의 빛을 잃는 정도를 측정해 금속 이온의 농도를 측정할 수 있다.

(우) 구리 이온이 증가함에 따라 카본 나이트라이드의 형광은 감소한다

휴대성 높고, 감도도 뛰어나며, 생체 내 금속 이온 측정도 가능해

기존에는 금속 이온을 측정하기 위해 원자 흡수 분광도법이나 유도결합 플라스마 질량 분석기를 이용해야 했다. 하지만, 이러한 장비들은 원소를 증기상태로 만들거나 이온화시키기 위해서 가스나 연료 등을 이용해야 했으므로 장비가 클 수밖에 없었다. 장비가 크면 휴대성이 떨어져 금속 이온을 측정하는데 문제가 생긴다.

홍 교수팀은 이러한 문제를 해결하고자 고유의 발광성을 가지는 카본 나이트라이드에 3차원 입방체 형태의 나노구조를 유도해 독성이 없고 별도의 접합이 필요 없는 센서를 개발했다.

이 센서는 기존의 휴대용 센서보다 감도가 10배 이상 뛰어나며, 장비 휴대가 불가능한 기존 금속 이온 측정 방법과 비슷한 성능을 가진다. 폐수에 존재하는 금속 이온의 초고감도 감지도 가능해 주변 환경이 금속 이온에 의해 얼마나 오염되어 있는지 손쉽게 알 수 있다. 또한, 독성이 없는 카본 나이트라이드의 특성을 이용하면 혈액 내에 존재하는 금속 이온의 농도까지 쉽고 간단하게 감지할 수 있다.


약물 전달체로 활용할 수도 있어

카본 나이트라이드는 체내의 질병치료를 위한 약물 전달 시스템에도 적용 가능하다. 홍 교수는 “나노 크기의 카본 나이트라이드 입자를 이용하면 체내의 질병치료를 위한 약물 전달체로도 활용할 수 있다”라고 밝혔다.

이번 연구에 대해 홍 교수는 “카본 나이트라이드 관련 연구는 생체 분자 등 여러 가지 물질을 감지하는 센서로 널리 활용될 수 있는 원천기술이다”라고 그 중요성을 강조했다.
 


댓글삭제
삭제한 댓글은 다시 복구할 수 없습니다.
그래도 삭제하시겠습니까?
댓글 0
0 / 400
댓글쓰기
계정을 선택하시면 로그인·계정인증을 통해
댓글을 남기실 수 있습니다.
주요기사
이슈포토