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공기 중 유해물질 바이러스 입힌 센서로 잡아낸다

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공기 중 유해물질 바이러스 입힌 센서로 잡아낸다

2020.07.27 15:58
화학약품이나 환경호르몬 결합하는 색 변해
송영민 광주과학기술원(GIST) 전기전자컴퓨터공학부 교수(오른쪽)와 유영진 박사과정생(왼쪽), 고주환 박사과정생 연구팀은 주변 환경의 변화를 색으로 보여주는 바이러스 기반 컬러 센서를 개발했다. GIST 제공
송영민 광주과학기술원(GIST) 전기전자컴퓨터공학부 교수(오른쪽)와 유영진 박사과정생(왼쪽), 고주환 박사과정생 연구팀은 주변 환경의 변화를 색으로 보여주는 바이러스 기반 컬러 센서를 개발했다. GIST 제공

바이러스를 바른 센서를 이용해 공기 속 벤젠이나 아세톤 같은 위험한 화학약품이나 내분비계를 교란하는 환경호르몬의 존재를 눈으로 바로 볼 수 있는 기술이 개발됐다.

 

송영민 광주과학기술원(GIST) 전기전자컴퓨터공학부 교수는 오진우 부산대 교수와 공동으로 유해물질을 감지하면 색이 변하는 원리를 이용해 이들 물질을 빠르게 탐지하는 컬러센서를 개발했다고 27일 밝혔다.

 

‘컬러 센서’는 주변 환경 변화에 따라 센서 소자의 구조가 변하면서 이에 따라 반사되는 색이 바뀌는 원리를 이용하는 센서다. 마치 화학실험에 사용되는 리트머스 종이가 산성과 염기성에 따라 색이 바뀌는 것처럼, 수분에 반응하는 센서라면 습도가 높으면 색이 노란색에서 빨간색으로 변하는 식이다. 사람들이 눈으로 환경 변화를 바로 볼 수 있고 작동을 위한 에너지도 필요하지 않아 유해한 물질을 감지하는 센서 후보로 꼽힌다. 다만 환경에 따라 색이 바뀌게 하려면 복잡한 설계가 필요하고, 센서가 두꺼울수록 변하는데 시간이 오래 걸리는 것이 흠이다. 

 

연구팀은 가로세로 수 cm 면적의 센서 기판 위에 M13 박테리오파지 바이러스를 얇게 코팅한 센서를 개발했다. M13 박테리오파지는 다른 물질이 달라붙으면 팽창하는 특성 때문에 컬러 센서용 물질로 사용이 가능하다. 연구팀은 기판 속 컬러 센서 역할을 하는 구조가 특정 파장에 공진을 일어나게 해 훨씬 선명한 빛을 띠도록 만들었다. 이를 이용해 물체를 감지하는 데 쓰이는 바이러스층의 두께를 60나노미터(nm·10억 분의 1m)까지 줄였다. 송 교수는 "바이러스층 두께를 줄이면서 다른 센서는 0.3초의 반응 속도를 보이는 것을 0.1초까지 줄였다"고 말했다.

 

GIST 제공
연구팀이 개발한 습도 센서의 모습이다. 상대습도가 20%일때는 노란 색만 보이지만 50%를 넘어가자 센서 속 패턴이 선명하게 보인다. GIST 제공

연구팀은 바이러스 표면 단백질의 유전자를 변형해 벤젠이나 아세톤같은 유독한 휘발성 유기화합물(VOC)이나 내분기계를 교란하는 물질인 플라스틱 환경호르몬에도 반응하도록 하는 데 성공했다. 송 교수는 "단백질을 바꿔 특정 물질이 잘 달라붙게끔 바꿔 물질이 붙으면 구조가 변해 색이 바뀌도록 했다"고 말했다. 감도도 좋았다. VOC 4종과 환경호르몬 2종에 대해서 반응 정도를 분석한 결과 수십 ppb(10억분의 1) 농도일때도 색이 변하는 것으로 나타났다.

 

송 교수는 “나노미터 수준의 섬유형 바이러스를 적용해 유해물질과 컬러센서 간 결합을 유도하고 광학 설계로 유해물질을 직관적으로 감지할 수 있게 됐다”며 “향후에는 웨어러블 소재 등에 활용해 내부에서는 생체 신호를 얻고 외부에서는 유해환경을 감지하는 다기능성 웨어러블 기기로도 활용할 수 있을 것"이라고 말했다.

 

이번 연구결과는 이달 21일 국제학술지 ‘어드밴스드 사이언스’에 실렸다.

 

 

 

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