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식물에 부착하여 실시간 유해물질 감지하는 센서 개발

-고성능 웨어러블 식물 센서 개발로 스마트 농업, 환경안전 혁신-

□ 국가독성과학연구소 미래환경영향연구센터 정성미 박사팀은 환경 유해물질인 6-PPD를 비파괴적이고 실시간으로 감지할 수 있는 고성능 웨어러블 식물 센서를 개발했다고 밝혔다.

□ 6-PPD(N-(1,3-Dimethylbutyl)-N'-phenyl-p-phenylenediamine)는 고무의 안정화를 위하여 첨가되는 유기 화학 물질로 차량의 타이어에 흔히 사용되지만 수질의 오염과 생물학적 피해를 일으킬 수 있는 환경 유해물질이다.

□ 연구팀이 개발한 센서는 높은 표면적, 뛰어난 전도성, 향상된 전기촉매 활성 및 우수한 기계적 특성을 갖추고 있으며, 살아있는 식물에서 6-PPD 오염물질을 직접 비파괴적으로 검출하는 데 최적화됐다. 특히 산화철 나노큐브(IONC)와 탄소나노튜브 나노리본(Carbon Nanotube Nanoribbon, CNR)을 결합한 하이브리드 촉매를 활용해 기존 대비 전기촉매 활성이 무려 5배 향상되는 성과를 기록했다.

□ 기존 식물용 유해물질 감지 센서는 샘플링, 분쇄, 동결건조 및 추출 등 복잡한 시료 전처리 과정이 필수적이어서 실시간 현장 모니터링에 제약이 많았다. 특히 복잡한 식물 조직 내에서 낮은 농도의 유해물질을 정확하게 검출하기에는 감도와 선택성이 부족해 현장 활용이 어려운게 현실이었다. 정박사팀의 센서 개발로 이러한 문제를 해결하며 스마트 식물 센서 기술의 새로운 가능성을 열었다.

□ 연구팀은 산화철 나노큐브를 탄소나노튜브 나노리본에 결합한 하이브리드 촉매를 개발하고, 이를 젤라틴 하이드로젤 기반 반고체 전해질과 통합해 웨어러블 식물 전기화학 센서를 완성했다. 본 기술은 식물 잎에 부착 가능한 형태로 제작되어 실시간으로 오염물질을 감지할 수 있다.

□ 정성미 박사는 “이번에 개발한 웨어러블 스마트 식물 센서는 다양한 식물종에 유해화합물이 축적되는 과정을 신속하고 정밀하게 모니터링할 수 있는 차세대 플랫폼으로, 스마트 농업, 환경안전, 웨어러블 헬스케어 분야 등 다양한 산업에 폭넓게 활용될 수 있을 것”이라며 “농업 생태계와 환경 매트릭스에서 유해물질을 실시간으로 모니터링함으로써 식량안보, 환경 지속 가능성, 공중 보건 보호에도 크게 기여할 것으로 기대한다”고 밝혔다.

□ 이번 연구 성과는 환경 분야 세계 최고 권위의 학술지인 Journal of Hazardous Materials에 게재되었으며, 논문의 교신저자는 정성미 박사, 제1저자는 Shaktivel Mananvalan 박사이다.

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 IONCs-CNRs/ω-SPCE의 제조와 스마트 장치를 사용하여 식물에서 6-PPD 감지를 위한 웨어러블 식물 센서의 기능에 대한 모식도

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