부산대 미생물학과 연구팀, 형광·고분자 물질 활용…저비용·간편 휴대형 센서 개발
부산대 응용화학공학부 연구진, 수중 미세플라스틱 제거 기술 개발
미생물학과 이은희 교수 연구팀이 눈에 보이지 않는 초미세플라스틱을 현장에서 단 10분 만에 검출할 수 있는 휴대형 센서를 개발했다.
상단 연구 이미지: 측방유동분석 기반 휴대용 센서를 활용한 초미세플라스틱 현장 검출 과정(강이나 바다 등에서 채취한 물을 센서에 적용하면, 초미세플라스틱이 형광 신호로 확인된다.)
이번 연구는 G-LAMP 사업단(중점 테마 연구소: 미래지구 환경 연구소) 및 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐으며, 미생물학과 장윤수 박사과정생이 제1저자, 이은희 교수가 교신저자로 참여했다.
부산대학교(총장 최재원)는 지난 12월16일 미생물학과 이은희 교수 연구팀이 눈에 보이지 않는 초미세플라스틱을 현장에서 단 10분 만에 검출할 수 있는 휴대형 센서를 개발했다고 게재했다.
이번 성과는 고가 장비와 복잡한 절차에 의존해야 했던 기존 분석법의 한계를 극복하고, 환경·건강 문제 대응에 새로운 돌파구가 될 것으로 기대된다.
초미세플라스틱은 머리카락 굵기의 수만분의 1에 불과한 1㎛(마이크로미터·1백만분의 1m) 미만 크기의 미세 조각으로, 강·바다는 물론 우리가 매일 마시는 수돗물·정수기 물·생수 등에서도 흔히 발견된다. 실제로 500㎖ 생수 한 병에서 수백만 개가 검출됐다는 연구 결과도 있다.
문제는 크기가 너무 작아 눈에 보이지 않을 뿐 아니라, 체내에 들어오면 쉽게 배출되지 않아 건강에 악영향을 줄 수 있다는 점이다. 지금까지는 수억 원대 고가 장비와 복잡한 분석 과정에 의존해야 했기 때문에, 현장에서 초미세플라스틱을 즉시 확인하기는 불가능했다.
이에, 연구팀은 형광 기반 측방유동분석법(lateral flow assay, LFA)을 활용해, 크기 200㎚(나노미터·10억분의 1m) 이하의 초미세플라스틱을 신속하고 민감하게 검출할 수 있는 새로운 방법을 제시했다. 플라스틱 표면에 잘 달라붙는 형광 물질(1-pyrenebutyric acid N-hydroxysuccinimidyl ester)과 초미세플라스틱을 붙잡는 역할을 하는 고분자 물질(polyethyleneimine)을 활용해 새로운 검출 기술을 개발한 것이다.
이 기술은 폴리스타이렌(PS), 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리염화비닐(PVC) 등 주요 5종 초미세플라스틱을 최소 9.3~163.9㎍/ℓ 수준까지 검출할 수 있으며, 검출 소요 시간은 단 10분에 불과했다.
강물과 바닷물은 물론, 생수·정수기 물·차·탄산수 등 우리가 일상에서 마시는 다양한 물에서도 안정적으로 작동해 실제 환경 적용 가능성을 입증했다.
연구팀은 휴대용 형광 이미징 장치도 제작해, 검출 결과를 즉시 촬영·분석할 수 있도록 했다. 이를 통해 현장에서 곧바로 실시간 모니터링이 가능함을 확인했다.
이번 연구는 실험실에만 의존하던 기존 분석법의 한계를 극복하고, 저비용·고효율의 현장 검출 기술을 제시했다는 점에서 의미가 크며, 향후 환경 모니터링은 물론 수질 관리, 식품 안전 등 다양한 분야에서의 활용이 전망된다.
(사진 왼쪽) 이은희 교수, 장윤수 박사과정생
연구책임자인 이은희 교수는 “초미세플라스틱 오염은 점점 심각해지고 있으나 기존 분석법은 현장 적용성이 떨어졌다”며 “이번 연구를 통해 누구나 손쉽게 활용할 수 있는 검출 기술을 제시함으로써 환경 문제 해결에 기여할 수 있을 것”이라고 말했다.
해당 연구 결과는 세계적으로 권위 있는 국제 학술지 『Journal of Hazardous Materials』 10월 5일자에 게재됐다.
▷ 논문 제목: A field-deployable lateral flow assay for rapid and sensitive detection of nanoplastics(초미세플라스틱 신속·고감도 현장 검출을 위한 측방유동분석법 개발)
▷ 논문 링크: https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2025.139662
이번 연구는 G-LAMP 사업단(중점 테마 연구소: 미래지구 환경 연구소) 및 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐으며, 미생물학과 장윤수 박사과정생이 제1저자, 이은희 교수가 교신저자로 참여했다.
X
미세·나노플라스틱 제거 공정 모식도 (부산대)
한편, 또 다른 부산대 연구진은 수중 미세·나노플라스틱을 자석처럼 끌어당겨 제거하는 기술을 개발했다.
부산대학교(총장 최재원)는 응용화학공학부 정성욱 교수 연구팀이 판상형 철산화물 자성 나노입자가 미세·나노플라스틱 입자와 상호작용해 흡착을 유도하는 방법으로 수중 미세·나노플라스틱을 10분 이내 95% 이상 제거할 수 있는 공정을 개발했다고 12일 밝혔다.
미세플라스틱(Microplastics)은 통상 5mm 미만의 플라스틱 입자를 의미하며, 그중 크기가 1μm(마이크로미터, 0.001mm) 이하인 나노플라스틱(Nanoplastics)은 육안으로 확인이 불가능할 정도로 작다. 이러한 초미세 입자는 기존의 하수처리 시스템이나 물리적 필터로 제거가 어려워 수생태계 전반에 침투해 먹이사슬을 통해 최종적으로는 인체에 축적될 위험이 크다.
기존의 수중 미세플라스틱 제거 기술로는 수십에서 수백 나노미터 크기의 나노플라스틱 입자를 제거하는 데 어려움이 있었다. 이를 해결하기 위해 연구팀은 기존 방법에서 구형 철산화물 나노입자를 사용한 것과 달리 판상형 나노입자를 도입해, 비등방성(非等方性) 구조를 통해 미세 및 나노플라스틱 입자와의 상호작용을 증가시켜 상대적으로 더 많은 미세 및 나노플라스틱 입자를 흡착·제거하는 데 성공했다.
기존 구형(등방성) 나노입자는 모든 방향이 동일해 미세·나노플라스틱과의 접촉 면적과 결합 방식이 제한적인 데 반해, 연구팀이 새로 도입한 판상형(비등방성) 나노입자는 면·모서리·두께 방향이 서로 달라 접촉 면적 증가, 입자 간 얽힘 및 응집 유도, 에어포켓과 같은 빈 공간 형성 등 미세·나노플라스틱 입자와의 물리·화학적 상호작용을 극대화했다.
연구팀은 외부 자기장을 이용해 판상형 나노입자들이 응집되면서 에어포켓과 같은 공간에 플라스틱 입자들을 추가로 포획하는 '동적 감금' 현상을 발견했고, 지속 가능한 미세·나노플라스틱 제거 공정을 확립한 것이다.
이번 연구는 기존의 한계를 뛰어넘기 위해 비등방성 판상형 구조의 자성 나노입자 설계 및 대량 합성 기술을 개발한 점에서 독보적인 차별성을 가진다.
이번 성과는 신기능 나노복합체 개발과 다분야 융합연구 활성화에 기여할 것으로 기대되고 있다.
(사진 왼쪽부터) 정성욱 교수, 정유정 박사과정생, 장은혜 박사.
연구에는 부산대 응용화학공학부 정유정 박사과정생과 장은혜 박사가 공동 제1저자, 나노에너지공학부 장준경 교수가 공저자, 연구책임자인 응용화학공학부 정성욱 교수가 교신저자로 참여했다.
연구책임자인 정 교수는 "최근 초미세 플라스틱 입자가 인체 건강을 위협하는 새로운 환경 오염원으로 부각되고 있지만, 기존 필터 기반 수처리 방식으로는 효과적인 제거에 한계가 있었다"며 "이번 연구에서 개발한 기술은 초미세 오염물질을 짧은 시간 안에 고효율로 제거할 수 있는 혁신적인 대안으로, 향후 차세대 수처리 및 환경 정화 기술로 폭넓게 활용될 수 있길 바란다"고 말했다.