박재영 교수 연구팀, 땀 속 중금속 검출 패치센서 개발
- ‘실록신’ 증착 된 레이저 유도 그래핀 유연 전극 기술 개발 -
- ‘실록신-탄소나노튜브’ 그래핀 복합전극 기반 초고감도 중금속 패치센서 개발 -
- 온도 및 pH 보정센서 집적화를 통한 중금속 검출 정확도 향상 -
본교 박재영 교수 연구팀(전자공학과)은 PDMS(Polydimethylsiloxane) 고분자 유연 기판위에 전사시킨 레이저유도 그래핀(LIG)에 실록신(Siloxene, 2차원 나노소재)과 탄소나노튜브(CNT) 나노복합체를 코팅하여 전기적, 기계적 특성이 우수한 유연 전극을 개발하였다. 이 전극 소재를 활용하여 사람의 땀 속 구리(Cu) 이온 검출 및 실시간 모니터링 할 수 있는 고성능의 패치센서 개발에 성공하였다. 또한 온도와 pH 보정 센서를 동일한 유연 기판 위에 제작하여 구리이온 검출의 정확성을 크게 향상시켰다. 땀 하이브리드 패치센서는 땀 속 다양한 중금속 이온 검출을 통한 건강관리 및 질병 진단과 예방에 크게 활용될 것으로 기대된다.
<박재영 교수(좌)와 혜설 박사과정(우)>
인체의 땀에는 건강 상태 및 질병과 관련된 분자 및 이온, 바이오마커 물질이 많이 포함되어 있기 때문에 비침습적으로 이들을 감지할 수 있는 웨어러블 땀 센서가 최근에 주목을 받고 있다. 인체에 필요한 미량원소 중 하나인 구리 이온 검출은 의미가 크지만, 농도가 낮기 때문에 땀에서 구리 함량을 정확하게 감지하는 것이 매우 어렵다. 현재 사용하고 있는 땀 속 구리 이온의 검출은 원자 흡수 분광법, 전자 결합 플라즈마 원자 방출 분광법, 크로마토그래피-질량 분광법 등과 같은 고가의 장비를 이용하는 기술에 의존하고 있다. 이러한 기술은 검출 정확도가 좋지만 휴대성과 실시간 검출이 불가능하다. 따라서 이러한 문제점들을 해결하기 위하여 전기화학기반의 웨어러블 중금속 센서들이 연구되고 있다.
본 연구팀은 구리 이온, pH 수준 및 피부 온도를 동시에 감지할 수 있는 하이브리드 패치센서 개발을 위하여, 기본 전극 소재로 PDMS 기판위에 2D 적층 실록신으로 기능화 한 레이저 유도 그래핀(LIG)을 제작하였다. 2D 다층 구조의 실록신 나노시트는 그래핀 전극의 표면적과 전도성을 향상 시켰고, 실록신 표면에 풍부한 산소 함유 작용기(산소, 수소 및 수산기)는 구리 이온 및 pH 감지 성능을 또한 향상 시켰다. 실록신 나노시트는 LIG의 수산기 기반 그룹(C-OH)과 반응하여 LIG와 실록신 사이에 걸쳐 있는 새로운 C-O-Si 결합을 생성하여 LIG와 실록신의 결합 강도를 크게 높였다. 구리 이온의 검출 감도를 더욱 향상시키기 위해 실록신 나노시트 사이에 탄소나노튜브(CNT)를 추가로 도입하여 작동 전극의 전도성을 향상시켰을 뿐만 아니라 실록신 나노시트의 연결을 강화하여 우수한 검출 범위와 검출한계 특성을 확보하였다. 그리고 땀의 pH와 온도를 동시에 측정하여 보정함으로써 Cu 이온 검출의 정확도를 크게 향상시켰다.
본 연구팀이 개발한 실록신(Siloxene)과 탄소나노튜브(CNT) 나노복합체가 코팅된 레이저유도그래핀 전극 기반의 구리이온 센서는 10~500ppb의 넓은 범위 내에서 선형 응답과 1.55ppb의 낮은 검출 한계 특성을 나타냈다. 폴리아닐린이 증착된 pH 센서는 3?10의 pH 범위에서 -64.81mV pH-1의 우수한 감도를 보여주었다. 또한 정확한 피부 온도 모니터링을 위한 온도 센서도 9.147 Ω °C?1의 우수한 감도(상관 계수 0.139 % °C?1)로 안정적인 선형 저항 응답특성을 나타냈다. 그리고 제작된 하이브리드 패치센서는 우수한 재현성, 반복성, 선택성, 그리고 인공 땀과 실제 인체 땀 샘플 모두에서 안정적인 우수한 성능을 나타냈다. 따라서 개발된 유연 전극과 하이브리드 땀 패치센서는 초소형 센서신호처리 및 블루투스 통신 PCB 회로, MCU, 스마트폰 앱과 연동하여 언제 어디서나 건강상태와 질병을 관리 및 예방하는데 폭 넓게 적용 및 활용될 것으로 기대된다.
한편, 이번 연구는 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단 바이오의료기술사업(2017M3A9F1031270) 과 한국산업기술평가관리원 산업기술혁신사업 (20000773, 비혈액기반 대사증후군 모니터링용 패치형 나노멀티센서 혁신기술 개발)의 지원을 받아 수행되었고, 연구 결과는 세계 최고의 소재 및 디바이스 연구 전문 저널인 WILEY 출판의 Small (IF: 15.535)에 게재되었다. https://doi.org/10.1002/smll.202201247
<2D 실록신으로 기능화 된 레이저유도 그래핀 전극 제작공정과
이를 이용한 땀 기반 플렉시블 고성능 하이브리드 바이오센서 패치 개념도>
