Trend of Toxic Nanomaterial Detecting Sensors

독성 나노물질 검출 센서 동향

Abstract

Nanomaterial have grown from scientific interest to commercial products and the nanomaterial market has grown 19.1 % each year. As the nanomaterial market size increases, it is expected that nanomaterial production will increase and its contamination of outdoor environmental system will also increase in the form of industrial waste. Since most of nanomaterials are known as biologically non-degradable materials, nanomaterials will accumulate in the environment, and this will increase the potential threats to human health along the food chain. Recent studies have investigated the toxicity effect of nanomaterials due to their size, chemical composition and shape. For the development of nanomaterial while taking human health into consideration, a nanomaterial detecting sensor is required. In this paper, we have observed the trend of nanomaterial detecting sensor of mechanical, electrochemical, optical and kelvin probe force microscopy sensors and we believe that this trend will shed the light on the development of real-life nanomaterial detecting sensors.

1. 서 론

나노물질은 100 nm 이하의 크기를 가지는 물질이며 최근 다양한 연구 산업 분야에서 많은 각광을 받고 있다. 그 이유는 나노물질의 장점으로부터 비롯되며 그 장점으로 우수한 기계적, 화학적, 전기적, 광학적 특성이 있다. 이러한 특성 때문에 나노물질에 관한 연구는 활발히 진행되고 있다(1). 최근에는 나노물질의 크기, 형태, 표면 변화 등을 제어하여 산업 분야에도 많이 응용하고 있으며 나노물질을 이용한 생활용품, 가전제품, 자외선 차단제 등을 생활 주변에서 쉽게 접할 수 있다(Fig. 1)(2). 2012년 조사 결과에 따르면 나노물질 시장이 2012년 159억 달러에서 2017년 373억 달러로 매년 19.1 ％ 늘어날 것으로 예상된다고 하며 이는 나노물질 사용량 증가로 이어질 것이다(Fig. 2)(3).

Fig. 1Nanoproducts on the market(2)

Fig. 2Nanotechnology market size between 2011~2017(3)

나노물질의 사용량 증가는 결국 인체의 나노물질에 대한 노출 가능성을 증가시킬 것이다. 나노물질 시장이 커지는 만큼 나노물질의 생산량 및 폐기물은 증가할 것으로 예상되며 이 과정 중에서 일부는 쓰레기 형태로 환경에 필연적으로 배출된다(Fig. 3)(4). 대다수의 나노물질(금속 나노입자, 탄소나노튜브, 등)은 난분해성 물질로 알려져 있는 만큼 환경에 지속적으로 축적될 것이며 결국 먹이사슬 중 1차 소비자로 유입될 것이다. 유입된 나노물질은 먹이사슬을 통해 최종적으로 인체에 유입될 것이다(5). 이와 같은 방법으로 간접적으로 인체가 나노물질에 노출될 수 있으며 또한 나노물질이 포함된 제품으로부터 직접적으로도 노출될 수 있다.

Fig. 3Life cycle of nanoproducts(4)

한편, 일부 나노물질에 대해서 보건적 위해성이 제기되었다. 나노물질은 크기, 화학적 구성, 형태로 인해 인체 세포, 단백질과 상호 작용을 하며 일부 상호 작용은 이들을 손상 시키며 결국 독성을 일으킨다고 알려져 있다. 나노물질 중 많은 관심을 받고있는 탄소나노튜브 또한 언급된 상호 작용으로 인해 독성이 나타낸다(6). 탄소나노튜브는 나노미터 직경을 가지는 나노물질이며 이 작은 직경으로 인해 세포를 아무 제약없이 투과할 수 있다. 인체 세포를 탄소나노튜브 용액에 투입한 결과 탄소나노튜브를 세포내에서 확인할 수 있었으며 이후에는 세포가 괴사되는 것을 확인하였다. 탄소나노튜브는 탄소 원자로만 이루어져 있지만 제조 과정에서 중금속이 필연적으로 첨가된다. 이 첨과된 중금속이 세포내에 들어가게 되면 활성산소를 생성하고 독성을 일으킨다고 알려져 있다(Fig. 4)(7). 탄소나노튜브는 높은 종횡비를 가지는 ‘바늘’ 같은 형태를 가지고 있어서 폐에 투입되었을 때 염증 유발한다(그림 5)(8).

Fig. 4Toxicity of carbon nanotube(7)

Fig. 5Carbon nanotube toxicity in lung(8)

나노물질의 발전 및 인체 건강을 위해 나노물질 검출 센서의 필요성은 지속적으로 제기되어왔다. WHO 및 EPA에서는 인체 건강을 위해 중금속의 농도를 권고해왔으며(9) 중금속 외에도 각종 나노물질의 독성 농도는 연구 결과들을 통해 꾸준히 제시해왔다(10). 이와 같이 나노물질의 지침은 활발히 제시되는 반면 실질적인 나노물질 검출은 진행되지 않고 있다. 만약 나노물질의 실질적인 검출이 가능하면 권고된 농도를 기반으로 안전성 및 위험성을 사전에 파악할 수 있다. 더 나아가 나노물질은 여러 경로를 통하여 인체에 노출되는데 나노물질 검출 센서의 개발로 이 나노물질들의 경로를 파악할 수 있으며 인체의 노출 위험을 최소화하고 안정성을 높일 수 있다(11).

이 논문에서는 실질적인 나노물질 검출 센서의 필요성을 인식하여 국내외에서 실행되고 있는 나노물질 검출 센서 동향을 알아보는 것을 목표로 하고 있다. 여러 나노물질 검출 센서 중 많은 연구가 진행되고 있는 기계적 센서, 전기화학 센서, 분광 센서, 켈빔 탐침력 현미경(KPFM)기반 센서를 다룰 것이며 이것을 통해 실질적으로 대응이 가능한 나노물질 검출 센서 선정에 있어서 근거 자료로 활용될 것으로 기대된다.

 

2. 본 론

2.1 기계적 센서

마이크로 및 나노 제작 기술의 발달은 기계적 센서에 많은 영향을 주었다. 현재 나노 제작 기술을 이용하여 수 나노미터 크기로 제작이 가능하며 기계적 센서는 그 크기가 작아질수록 더 높은 성능을 보여주기 때문에 기계적 센서는 가장 우수한 민감성을 보여주고 있다(12). 기계적 센서는 현재 많은 검출 센서에 응용되고 있으며 그 예로 Nanoelectromechanical systems(나노전기기계 시스템)을 이용하여 10~24 gram의 질량을 검출할 수 있었다(13). 더 나아가 여러 센서 중 기계적 센서만이 검출 물질간 작용되는 힘을 파악할 수 있기에 기계적 센서의 잠재력은 무궁무진하다.

여러 기계적 센서 중 외팔보 센서는 가장 보편적이며 중심에 있는 기계적 센서이며 외팔보 센서는 크게 정적 모드와 동적 모드로 분류된다(Fig. 6). 정적 모드 외팔보 센서는 외팔보의 편향 혹은 공진주파수 변화를 통해 독성 물질을 검출한다. 외팔보의 편향은 외팔보 표면의 물질과 검출 물질간의 결합에 의한 표면 스트레스에 의해 발생하며 이는 스토니 공식에 의해 알 수 있다(14).

Fig. 6Schematic diagram of the static-mode cantilever(12)

이때 z, l, ν, Δs, E 그리고 t는 각각 외팔보의 편향, 외팔보 길이, 푸아송 비, 표면 스트레스, 영률, 그리고 외팔보의 두께이다. 따라서 검출 물질이 외팔보 표면에 검출 되면 외팔보의 표면 스트레스 변화에 의한 외팔보 편향이 발생되며 이 편향을 측정하여 검출하는 시스템이다. 이외에도 외팔보의 편향은 주변 매체, 온도 및 유체 흐름에 따라서도 영향을 받아 실질적인 검출에 방해가 되는 요소도 존재하지만 이는 대조 외팔보를 사용함으로써 해결할 수 있다(12). 동적 모드 외팔보 센서는 외팔보의 공진 주파수 변화를 이용하며 이는 고전 탄성 연속체 모델을 따라서 다음과 같은 식으로 표현된다(15).

여기서 α, l, EI, ρc, A, Kc, 그리고 Mc는 각각 cosα coshα+1=0의 해, 외팔보의 길이, 외팔보의 굽힘강성, 외팔보의 밀도, 외팔보의 단면적, 외팔보의 유효강성, 그리고 외팔보의 유효 질량이다. 이 식을 통해 검출 물질이 외팔보 표면에 검출되면 검출 물질에 따른 질량이 증가하여 공진 주파수가 감소한다는 것을 알 수 있다.

참고논문(16)에서는 기계적 센서 중 동적 모드 외팔보 센서를 이용하여 대표적인 독성 물질인 은이온과 탄소나노튜브를 검출하였다. 은이온 검출을 위해서는 외팔보 표면에 시토신 염기 서열을 부착하였으며 그 이유는 시토신 염기서열이 은이온과 인터칼레이션(intercalation)을 하기 때문이다. 따라서 시토신 염기서열을 부착함으로 외팔보가 선택적으로 은이온을 검출할 수 있었고 1 nM의 은이온까지 검출하는 민감도를 얻었다(그림 7)(16). 탄소나노튜브는 DNA와 π-π결합을 하는 것으로 알려져 있고 이 연구팀은 특정 염기서열을 가지는 2가지의 DNA를 이용하여 탄소나노튜브를 응집시켰다(그림 8). 또한 여기에 사용된 DNA와 혼성결합을 하는 DNA를 외팔보 표면에 부착시켜 외팔보에 탄소나노튜브가 결합되게 설계하였다. 탄소나노튜브는 굉장히 가볍기 때문에 탄소나노튜브가 외팔보에 결합되더라도 질량 증가폭이 매우 적지만 탄소나노튜브를 응집시킴으로 질량 증가 폭을 증가시킬 수 있었으며 이를 통하여 10 ng/ml의 탄소나노튜브를 검출할 수 있었다(17).

Fig. 7Schematic diagram of silver ion detection using dynamic-mode cantilever(16)

Fig. 8Schematic diagram of carbon nanotube detection using dynamic-mode cantilever(17)

2.2 전기화학 센서

검출 센서가 실질적으로 사용되기 위해서는 경제적 비용 및 간단한 검출 방법을 요구한다(11). 여러 센서 중 이 조건에 가장 적합한 센서는 전기화학 센서이다(9). 이러한 장점들로 인해 전기화학 센서는 많은 분야에서 사용되어 왔으며 나노물질 검출 연구들도 활발히 진행되고 있다. 나노물질 검출에는 전기화학 센서 중에서도 전압전류법과 전위차분석법을 이용하여 검출되어 왔다(18). 전압전/류법은 전극의 전위를 시간에 따라 일정속도로 변화시키고 검출 물질이 전극에 결합할 때 발생하는 전압대비 전류의 차이를 측정하는 방법으로 나노물질을 검출한다. 또한 나노물질을 전극에 결합을 시키기 위해서 DNA 염기서열, 효소, 그리고 단백질 등이 널리 사용되고 있다(9). 그 예로 Yu 그룹과 그 동료들은 대표적인 독성 나노물질로 알려진 수은을 티민 염기서열을 이용하여 0.5 nM의 민감도로 검출하였다(Fig. 9)(19). 티민 염기서열과 수은은 인터칼레이션(intercalation)하는 것으로 알려져 있는데 티민이 포함된 DNA와 페로센 프로브를 사용하여 수은의 결합에 의한 전압 대비 전류의 차이를 측정하여 검출하였다. 전위차분석법은 검출 물질 결합으로 생기는 두 전극간의 전위차를 차이를 이용하여 검출하는 기법이다. 최근에는 넓은 표면적, 빠른 전자전달 특성을 가지고 있는 탄소나노튜브를 전극 사이에 변환기로 이용하여 센서 성능을 향상시켰다. Khani 그룹과 그 동료들은 탄소나노튜브와 납과 특정적으로 결합하는 이오노포어(ionophore)를 이용하여 2.5 nM 민감도로 검출하였다(Fig. 10)(20).

Fig. 9Schematic diagram of mercury detection using voltammetry method(19)

Fig. 10Schematic diagram of lead ion detection using potentiometry method(20)

2.3 분광 센서

많은 관심을 받고 있는 센서 중 하나는 바로 분광기법 센서이다. 여러 센서 중 분광기법만이 아무런 장비의 도움없이 육안으로도 나노물질 검출 여부를 파악할 수 있기 때문에 실생활에서 가장 손쉽게 사용할 수 있는 검출 기법이다(9). 분광기법 센서에는 주로 금 나노 입자를 응용한 흡광기법이 널리 사용되고 있다. 금 나노 입자는 표면 플라즈마 공명에 의해 단일 흡수대를 나타내며 또한 금 나노 입자의 크기 및 형태를 제어하여 흡수대를 조절 할 수 있기 때문에 널리 사용된다(21). 금 나노 입자를 이용한 검출 원리는 표면 플라즈마 공명 특성 변화에 있다. 금 나노 입자와 검출 물질이 상호작용을 하게 되면 표면 플라즈마 공명 특성이 변하게 되어 흡수대가 이동하는데 이 변화를 통해 독성 물질을 검출할 수 있다. Merkoci 그룹과 그 연구진은 수은을 금 나노입자와 수은과 결합하는 리간드를 이용하여 검출하였다. 수은이 금 나노 입자에 결합하게 됨에 따라 금 나노 입자의 표면 플라즈마 공명 특성이 변하여 흡수대가 변하는 것을 확인하였고 더 나아가 실제 육안으로도 구분되는 것을 보여주었다(22)(Fig. 11). 대부분의 흡광 기법은 굉장히 간단한 방법인데 반해 검출 민감도가 낮다는 단점이 있다. 이 단점을 보완한 분광 기법으로는 형광 기법이 있다. 형광 기법은 흡광 기법과는 반대로 발산되는 빛의 변화를 이용하며 이때 주로 fluorescence resonance energy transfer(FRET) 방법을 이용하여 검출한다. FRET은 두 개의 서로 다른 형광물질이 인접했을 때 하나의 형광을 일으키는 에너지가 다른 형광물질에 전달되어 다른 형광을 나타내는 현상을 이용한 방법으로 검출 물질이 결합될 시 다른 두 개의 형광 물질을 인접시키는 방법으로 나노물질 검출에 응용된다(9). 토가시 그룹과 그 연구진은 두개의 형광 물질 사이에 수은과 결합되는 티민 염기서열을 배치하고 수은의 결합으로 두 형광 물질을 인접시켜 특정 빛의 파장을 발산하는 기법을 이용하여 수은을 검출 하였다(Fig. 12).

Fig. 11Detection of mercury ion using optical method by naked eye(upper) and detection under various concentrations(bottom)(22)

Fig. 12Schematic diagram of mercury ion detection using FRET(upper) and detection under various concentrations(bottom)(9)

2.4 켈빔 탐침력 현미경 센서

또 다른 나노물질 검출 센서로는 Kelvin probe force microscopy(켈빔 탐침력 현미경) 기법 센서가 있다.

켈빔 탐침력 현미경 기법은 표면 전위 특성을 이용하는 기법으로 나노물질 결합에 따른 표면 전위 차이를 이용하여 검출하는 방식이다(23). 기존 센서 검출과는 다르게 켈빔 탐침력 현미경 기법은 단일분자의 결합을 측정하는 방식으로 가장 높은 민감도를 보여주며 또한 한 방울의 용액으로도(2 μl) 검출이 가능한 기법이다. 참고문헌(25)에서는 켈빔 탐침력 현미경 기법과 시토신을 이용하여 은이온을 검출하였다(Fig. 13). 기존의 시토신은 DNA 뼈대 전위에 의해 음 전압을 뛰지만(24) 은이온이 인터칼레이션(intercalation) 될 때 은이온에 의해 양 전압화 된다. 이때 전압 차이를 이용하여 은이온을 검출 하였으며 0.2 fmol 민감도로 검출할 수 있었다(25).

Fig. 13Schematic diagram of silver ion detection using KPFM method(25)

 

3. 결 론

나노기술은 대표적인 국가 유망기술 중 하나이며 급속한 발전을 이루어 왔다. 현재 나노기술은 각종 분야에 응용되고 있으며 그 결과로 나노물질도 동반되어 사용되고 있다. 나노물질의 시장은 계속 성장할 것으로 예상되는 만큼 나노물질의 생산량도 늘어날 것이다. 반면 나노물질 생산량 증가는 나노물질의 인체 및 자연계 노출이 증가될 것이며 나노물질의 독성이 보고된 만큼 실제 생활에서 나노물질을 검출할 수 있는 센서가 요구되고 있다. 이 논문을 통해 기계적, 전기화학, 분광 그리고 켈빔 탐침력 현미경 나노물질 검출 센서에 대해서 알아보았다. 각각의 센서들은 장단점들을 가지고 있으며 현재 실질적인 센서로 사용되기 위해서는 넘어야 할 벽들이 많다. 이러한 자료들을 토대로 나노물질 검출 센서가 나아가야 할 방향과 개발되어야 할 부분을 객관적으로 판단하여 실질적인 검출 센서 개발로 이어지고 그것을 토대로 안정성이 보장되는 나노물질 사용을 기대한다.