입냄새까지 정확히 측정하는 고감도 색변화 센서 개발(종합)

KAIST 김일두 교수 "1ppm 이하도 검출…호흡으로 질병진단하는 센서 개발 추진"

(서울=연합뉴스) 이주영 기자 = 국내 연구진이 기체 분자와 만나면 색깔이 변하는 염료 입자를 나노섬유에 결합해 농도가 1ppm 이하인 극미량 가스도 맨눈으로 신속하게 확인할 수 있는 색변화 센서를 개발했다.

한국과학기술원(KAIST) 신소재공학과 김일두 교수, 차준회 연구원 연구팀은 12일 황화수소(H₂S)와 반응하면 흰색에서 갈색으로 변하는 염료물질 '아세트산납'(Pb(Ac)₂)을 고분자 나노섬유 표면에 결합해 농도 0.4ppm의 황화수소를 1분 안에 맨눈으로 검출하는 데 성공했다고 밝혔다.

이 연구결과는 미국화학회(ACS)가 발간하는 국제학술지 '애널리티컬 캐미스트리'(Analytical Chemistry, 5월 23일)에 게재됐다.

색변화 센서 검출성능 실험 결과 아세트산납 색변화 센서는 400ppb(0.4ppm)의 황화수소(H₂S)에 1분간 노출했을 때 맨눈으로 확인할 수 있을 만큼 민감한 검출성능을 보였다. 실험참가자들의 날숨에 구취 원인물질인 황화수소를 1ppm 농도로 섞어서 실시한 날숨실험(가상 구취환자 날숨)에서도 모두 색변화로 검출이 가능한 것으로 확인됐다. [한국과학기술원 제공=연합뉴스]

황화수소는 입 냄새 주원인물질로, 이 색변화 센서를 이용하면 기존 방법으로는 감지가 어려웠던 입 냄새도 정밀하게 측정할 수 있다. 연구진은 앞으로 날숨을 이용한 질병 또는 마약 검사, 유해 환경가스 검출 등에 색변화 센서를 활용하는 연구를 할 계획이다.

아세트산납은 황화수소와 반응해 황화납(PbS)을 형성, 갈색으로 변하는 특성이 있어 시판 중인 황화수소 감지용 테스트지에 사용되고 있다.

하지만 종이 표면에 황화수소를 입힌 형태의 이 테스트지는 검출한계가 5ppm으로 입냄새의 주원인인 극미량(1ppm급) 황화수소는 감지하지 못한다. 또 아세트산납이 상온 정도의 낮은 온도에서도 입자가 뭉치기 때문에 감도 한계를 낮추기도 어렵다.

나노섬유 기반 색변화 센서 구조 녹는점이 낮은 아세트산납을 전기방사 용액을 제조할 때 나노입자 크기로 미립화한 다음 전기방사 공정으로 처리하면 나노섬유 표면에 아스트산납이 비늘처럼 분산된 형태로 결합한다. [한국과학기술원 제공=연합뉴스]

연구진은 이를 극복하기 위해 표면적이 넓은 나노섬유를 활용했다. 녹는점이 낮은 아세트산납을 전기방사 용액을 제조할 때 나노입자 크기로 미립화한 다음 전기방사 공정 중 나노섬유 표면에 분산된 형태로 결합하게 했다.

미립화된 아세트산납 입자는 나노섬유 표면에 고르게 퍼져 황화수소가 반응할 수 있는 표면적이 극대화되고, 낮은 온도에서도 뭉침 현상이 발생하지 않아 감도가 떨어지는 단점도 생기지 않는다.

이 색변화 센서는 0.4ppm 농도의 극미량 황화수소에 노출됐을 때 1분 만에 맨눈으로 색깔 변화를 확인할 수 있을 정도로 민감한 검출 특성을 보였다.

연구진은 이번 기술과 관련한 색변화 센서 특허를 국내에 6건 등록 또는 출원하고, 특허협력조약(PCT)과 미국 특허도 출원하는 등 상용화를 추진하고 있다.

김일두 교수는 "이 색변화 가스 센서는 표면적이 넓은 나노섬유를 기반으로 해 기존 종이 기반의 색변화 센서보다 감도특성이 월등히 우수하다"며 "기존 전자식 가스센서와 달리 전기적 회로 설계나 측정값 표시 모니터가 필요 없어 리트머스 시험지처럼 손쉽게 색변화로 확인이 가능하다"고 설명했다.

그는 또 "각기 다른 물질과 반응해 색이 변하는 색변화 염료를 나노섬유에 붙여주면 다양한 유해 환경 가스도 육안으로 검출할 수 있다"며 "색변화 센서의 호흡가스 분석 정확도를 높여 맨눈으로 질병을 조기에 진단할 수 있도록 후속연구를 진행할 계획"이라고 덧붙였다.

KAIST 신소재공학과 김일두 교수(교신저자, 왼쪽) 차준회 연구원(제1저자) [한국과학기술원 제공=연합뉴스]

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