흑연 입자 활용한 휴대용 중금속 측정기 개발 성공

한국환경산업기술원, 물 속 중금속 성분 측정 30분으로 단축

그래핀 기반 중금속 검출기 시스템 개요. [사진제공=한국환경산업기술원]

아주경제 배군득 기자 = 흑연 입자를 이용해 물 속 중금속을 신속하고 간편하게 검출할 수 있는 휴대용 장비가 개발됐다. 종전 하루 이상 걸리던 측정시간도 30분으로 단축될 것으로 보인다.

한국환경산업기술원은 흑연을 원료로 하는 ‘그래핀’이 특정 파장에서 빛을 발광하는 원리를 활용해 물 속 유해한 중금속 성분을 짧은 시간 안에 측정할 수 있는 휴대용 장비를 국내 처음으로 개발했다고 11일 밝혔다.

그래핀은 탄소원자로 만들어진 벌집 형태 구조를 가진 소재로 연필심에 사용되는 흑연을 원료로 사용한다.

기존 수중 중금속 측정은 현장에서 시료를 채취해 실험실에서 약 하루 정도 소요되는 정밀 측정을 거쳐야 했다. 그러나 이번 휴대용 측정 장비를 이용하면 30분 만에 10억분의 1 단위(ppb)까지 정밀하게 측정할 수 있다.

기존 수중 중금속 측정장비는 대형 가스연소로(燃燒爐)에 시료를 넣어 1000℃ 이상 가열해 원자화하는 원리였고 이번 장비는 나노미터(nm, 10억 분의 1m) 크기의 그래핀을 이용해 소형 측정판으로 중금속을 검출하는 원리다.

이번 장비는 데스크탑 컴퓨터 정도 크기여서 직접 현장으로 가져가서 사용할 수 있도록 만들어졌다. 기존 장비는 냉장고 규모 크기여서 현실적으로 이동하기가 어려웠다.

측정 과정은 중금속 분석 시료로 채취한 액체를 장비 측정판에 몇 방울 떨어뜨리면 내부 관을 따라 불순물 제거과정을 거치고 그래핀 측정판을 통과하며 중금속 종류에 따른 각각 디엔에이(DNA)압타머(Aptamer)와 반응하게 된다.

여기에 단파장(320나노미터) 빛을 비추면 시료에 포함된 중금속 종류와 농도에 따라 검출모니터에 나타나는 빛의 세기가 다르게 나타나 수중 중금속의 정밀한 측정이 가능하다.

이 장비는 나노 사이즈인 그래핀 양자점(퀀텀닷)이 산화(酸化)되면 초록색으로 발광하는 성질을 이용하고 특정한 중금속에 쉽게 결합하는 그래핀 기반 DNA압타머를 개발해 중금속을 판별할 수 있도록 한 점이 핵심 기술로 꼽힌다.

특히 기존 수중 중금속 측정은 원자흡수분광광도계(AAS), 유도플라즈마발광광도계(ICP)와 같은 해외에서 들여온 5000만원~1억원 대 고가 분석장비를 이용했지만 이번 기술 개발로 새로운 접근법을 통한 국내 원천기술을 확보하게 됐다.

한국환경산업기술원은 국내 장비는 흑연을 사용하기 때문에 1000만원 이하의 비교적 저렴한 가격을 갖추게 되며 이러한 가격 경쟁력을 바탕으로 대량 생산이 가능해져 다양한 산업 부문에서 상용화가 용이할 것으로 기대하고 있다.

이번 측정장비 연구는 한국과학기술원(KAIST) 연구팀(연구책임자 김신현․서태석 교수)에 의해 2012년 7월부터 환경융합신기술개발사업의 일환으로 진행됐다.

개발된 분석장비를 수돗물 등 현장 시료에 적용해 수중 카드뮴, 구리, 납, 비소를 측정한 결과, 기존 분석 장비 측정 결과와 비교해 평균 95% 이상 높은 검출 정확도를 보였다.

이종현 한국환경산업기술원 환경기술개발단장은 “이번 기술 개발로 환경오염 측정분야의 국내 원천 기술을 확보하는 성과를 거뒀다”며 “국민 안전과 건강 및 삶의 질을 향상시켜 환경서비스 품질수준 제고에 기여할 수 있을 것”이라고 말했다.