그래핀 기반 납 센서가 물 안전에 대한 새로운 감도 기록을 세웠습니다.

캘리포니아대학교 샌디에이고

물방울 속의 납 이온을 감지하는 하나의 센서 칩으로 구성된 실험 설정입니다. (이미지:Bandaru Lab/UC San Diego 제공)

캘리포니아 대학교 샌디에고 캠퍼스의 엔지니어들은 물 속의 매우 낮은 농도의 납 이온을 감지할 수 있는 그래핀으로 제작된 초감도 센서를 개발했습니다. 이 장치는 이전 감지 기술보다 100만 배 더 민감한 펨토몰 범위까지 납 검출 한계를 기록했습니다.

UC 샌디에이고 제이콥스 공과대학 기계항공우주공학과 교수인 Prabhakar Bandaru는 "우리 장치의 극도로 높은 감도를 통해 우리는 궁극적으로 합리적인 양의 물에서 하나의 납 이온의 존재도 감지할 수 있기를 희망합니다"라고 말했습니다. "납 노출은 건강에 심각한 문제이며, 식수에 함유된 10억분의 1 수준의 납 농도는 인간의 성장과 발달을 방해하는 등 해로운 결과를 초래할 수 있는 것으로 나타났습니다."

본 연구의 장치는 실리콘 웨이퍼 위에 장착된 단일 층의 그래핀으로 구성됩니다. 뛰어난 전도성과 표면 대 부피 비율을 갖춘 그래핀은 감지 응용 분야에 이상적인 플랫폼을 제공합니다. 연구진은 표면에 링커 분자를 부착하여 그래핀 층의 감지 능력을 향상시켰습니다. 이 링커는 이온 수용체와 궁극적으로는 납 이온의 앵커 역할을 합니다.

이 연구의 주요 특징 중 하나는 납 이온을 감지하는 데 매우 구체적인 센서를 만드는 것이었습니다. 연구진은 이온 수용체로 DNA나 RNA의 짧은 단일 가닥인 압타머를 사용했습니다. 이러한 수용체 분자는 특정 이온에 대한 고유한 선택성으로 알려져 있습니다. 연구진은 DNA 또는 RNA 서열을 조정하여 납 이온에 대한 수용체의 결합 친화력을 더욱 강화했습니다. 이를 통해 납 이온에 결합할 때만 센서가 작동되도록 했습니다.

그래핀 센서 표면에서 발생하는 분자 현상을 자세히 연구함으로써 펨토몰 검출 한계를 달성하는 것이 가능해졌습니다. 연구진은 실험적 기술과 이론적 기술을 조합하여 링커가 그래핀 표면에 단계적으로 접착되고 이어서 수용체가 링커에 결합하고 마지막으로 납 이온이 수용체에 부착되는 과정을 모니터링했습니다.

연구진은 결합 에너지, 커패시턴스 변화, 분자 형태 등 시스템의 열역학적 매개변수를 분석하여 이러한 매개변수가 센서 성능을 최적화하는 데 중요한 역할을 한다는 사실을 발견했습니다. 전자 장치 및 재료부터 이온 수용체에 이르기까지 전체 시스템의 설계와 함께 이러한 각 열역학적 매개변수를 최적화함으로써 연구원들은 전례 없는 감도와 특이성으로 납 이온을 감지할 수 있는 센서를 만들었습니다.

뛰어난 감도 외에도 새로운 센서는 기존 방법에 비해 다른 장점도 가지고 있습니다. 높은 정확도와 감도로 납을 검출하는 기존 기술은 고가의 장비에 의존하는 경우가 많아 널리 사용하기 위한 접근성이 제한됩니다. 한편, 가정용 키트는 접근성이 더 높지만 신뢰할 수 없는 경향이 있으며 일반적으로 마이크로몰 범위 내에서 상대적으로 낮은 검출 한계를 나타냅니다.

반다루는 “우리가 개발한 기술은 비용 문제와 신뢰성 문제를 극복하는 것을 목표로 한다”고 말했다. "우리의 목표는 상대적으로 제조가 용이하다는 점을 고려하여 궁극적으로 가정에 배치되는 것입니다."

이 기술은 현재 개념 증명 단계에 있지만 Bandaru는 언젠가 이를 실제 환경에서 구현하기를 희망합니다. 다음 단계에는 상업적 용도로 생산 규모를 확대하는 것이 포함되며, 이를 위해서는 업계 파트너와의 협력이 필요합니다.

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