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KIST, 빛으로 수돗물 속 미세플라스틱 잡아낸다

작성자 : 편집부 2023-03-22 | 조회 : 834

- 전기‧광 집게 현상, 표면증강라만 산란을 통해 초미세 플라스틱 빠르게 검지

- 안전한 수자원 확보 기술로 적용 기대

최근 우리나라 주요 강의 미세플라스틱 농도가 세계에서 가장 높다는 연구 결과가 발표되었다. 생활 속에서 간단히 마시는 티백 제품에도, 마시는 물에도 미세플라스틱이 검출되었다는 뉴스를 쉽게 접할 수 있다.

미세플라스틱은 우리 생활 속 플라스틱이 폐기 후 생태계로 유입되어 물리적·화학적으로 쪼개져 마이크로~나노 크기로 존재하는 플라스틱으로 우리의 건강과 환경 전반에 미치는 영향이 매우 크다. 하지만 미세플라스틱, 그중에서도 100㎚ 이하의 초미세 플라스틱은 그 크기가 매우 작고 농도도 매우 낮기 때문에 검지에 한계가 있다.

나노 크기의 플라스틱 입자를 검지하기 위해서는 플라스틱 시료를 농축하는 전처리 과정에 수 시간~수일에 걸친 시간과 많은 비용이 소요되기 때문이다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 뇌융합기술연구단 유용상 박사 연구팀은 초미세 나노 플라스틱을 나노 사이즈의 금, 은 입자와 함께 전기-광 집게를 이용해 짧은 시간 내 시료를 농축시키고, 빛을 이용한 실시간 검지 시스템을 개발했다고 밝혔다.

전기-광 집게 현상 및 표면증강라만 현상을 이용한 나노 플라스틱 라만 광 검지 메커니즘과 이에 따른 축적 시간 감소 및 광신호 증폭

오른쪽 위: 이에 따른 축적 시간 감소 모식도(파란색: 기존, 빨간색: 본 연구)

오른쪽 아래: 이에 따른 광신호 증폭 모식도(파란색: 기존, 빨간색: 본 연구)

연구진은 절연막을 사이에 두고 양면이 금속으로 된 대면적 3층 수직 배열의 전극에 전기를 공급하고, 동시에 분자의 진동수에 따른 입사광과 산란광의 에너지 차이를 분석하는 라만 광 검지 방식을 채택했다.

이 과정에서 나노 사이즈의 금, 은 입자인 플라즈모닉 나노입자를 활용해 시료를 농축했으며, 그 결과 미세플라스틱 검지를 위해 필요한 농축, 검지 시간을 수 초로 줄일 수 있었다. 실제 실험에서 10μg/L 농도의 30㎚ 크기 폴리스티렌 입자를 검지하는 데 성공해 초저농도 실시간 나노 플라스틱의 광 검지 성능을 확인했다.

한편, 연구진은 유전영동(Dielectrophoresis) 현상1)을 이용해 시료에서 입자를 쉽게 분리해냈다. 이를 통해 기존에 나노 플라스틱 분석을 위해 채집(collection), 분류(separation), 분석(analysis)까지 하루 이상이 걸리던 전 과정을 하나의 플랫폼 안에서 실시간으로 1초 단위로 분리 및 검지 가능한 원천기술을 확보할 수 있었다.

불균일한 전기장 내에서 유전체 입자들이 이동하는 현상으로 인가하는 전기신호의 주파수에 따라 선택적으로 다른 물성의 입자를 농축시킬 수 있다.

본 연구를 수행한 KIST 정의태 연구원과 유의상 박사(이상 공동 주저자)는 “미세플라스틱의 실시간 초고감도 검지가 가능해졌다는데 이번 연구성과의 의의가 있으며, 향후 연구 결과를 확장해 실제 여러 수자원의 미세플라스틱 농도를 측정하고 안전한 수자원 확보 기술로의 활용을 기대하고 있다”고 말했다.

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)지원을 받아 KIST 주요 사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 국제 학술지인 「ACS Nano」 (IF : 18.027) 최신호에 표지논문으로 게재되었다.