KIST, 물 속 극미량 미세플라스틱 검출·분석 기술 개발

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미세 플라스틱이나 생체고분자 등 수십~수백 나노미터(㎚) 크기 미세 물질을 포착하는 집게와 이를 실시간 분석할 수 있는 나노-광 핀셋 기술이 나왔다. 수중 미세 물질이나 혈액·체액 등의 바이오마커를 검출하는 새로운 활로가 뚫렸다.

한국연구재단(이사장 노정혜)은 KIST, 고려대 KU-KIST 융합 대학원에 소속된 서민아·유용상 연구팀이 나노입자 포집과 테라헤르츠파 증폭 기술을 결합한 신개념 광-전기 집게를 개발했다고 30일 밝혔다.

테라헤르츠파는 1초에 1조 번 진동하는 전자기파로, 파장이 매우 길다. 광-에너지는 낮아 인체에 무해하며, 비파괴검사 등에 이용된다.

그러나 수중 미세물질 포착과 분석에는 활용되지 못하고 있다. 물에 대부분 흡수되는 테라헤르츠파의 성질과 미량 물질에 감도가 낮은 특성 탓이다.

이중 금속 전극 구조를 이용한 초고감도 광-전기 융합 집게
<이중 금속 전극 구조를 이용한 초고감도 광-전기 융합 집게>

연구팀은 수중에서도 신호손실을 막고, 감도를 높일 방법을 제안했다. 핵심은 극미량 나노입자를 포집하는 전기집게 기술, 고민감도 광센서를 하나로 통합하는 것이다. 특히 광센서는 메타 표면으로 증폭된 테라헤르츠파 변화를 이용한다. 미세입자 존재, 응집도에 따라 굴절률이 변하고, 테라헤르츠파 투과율이나 공명주파수가 달라지는 원리를 이용한다.

물에 의한 테라헤르츠파 흡수를 피하고자 물을 통과하지 않는 반사형 센서 시스템도 갖췄다. 또 ㎚크기 미세구조를 가지는 메타물질 센서로 입자를 능동적으로 포집하면서 동시에 모니터링 한다. 형광표지 등 전처리 없이 극미량 미세입자를 비접촉식으로 모니터링 할 수 있도록 했다.

이 결과 40마이크로리터(㎕) 정도에 존재하는 1ppm(100만분의 1) 극미량 미세입자를 검출하는 감도를 확보했다. ppb(10억분의 1) 수준 극미량 바이오마커 추적과 분석에도 응용할 수 있을 것으로 기대된다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구사업, 글로벌 프론티어사업(파동에너지극한제어연구단) 등 지원으로 수행됐다. 연구결과는 재료과학 분야 국제학술지 '어드밴스드 사이언스(Advanced Science)'에 3월 24일 게재됐다.

대전=김영준기자 kyj85@etnews.com