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왼쪽부터 성균관대 박진성 교수(교신저자), 박주형 박사(교신저자), 김우창 박사(제1저자), 채경환 박사과정생(제1저자). |
[대학저널 이선용 기자] 성균관대학교는 바이오메카트로닉스학과 박진성 교수 연구팀이 세계 최초로 산호의 구조적 특성을 모사한 ‘4단계 광학 증폭 나노 산호 구조’를 개발하는 데 성공했다고 13일 밝혔다.
연구팀은 이 구조를 극미량의 잔류 농약인 티람(thiram) 검출에 적용해, 토양·하천·수돗물·식수 등 다양한 수계 환경에서의 오염 경로를 실시간으로 모니터링하는 데도 성공했다. 해당 연구 성과는 2025년 6월 6일, 환경공학 분야 상위 3% 국제학술지인 Chemical Engineering Journal (IF 13.4)에 온라인 게재됐다.
연구팀은 심해 환경에서도 생존하는 산호의 구조적 생존 전략에 주목했다. 산호는 다공성과 넓은 표면적을 활용해 영양분을 흡수하고, 광합성을 극대화하는 생태적 특징을 지닌다. 연구진은 이러한 특성을 모사해, 광학 증폭에 최적화된 4단계 나노구조를 설계했다.
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4단계 광학 증폭 나노 산호 구조의 합성 및 라만 신호 향상 전략 개략도. |
이번 구조는 2차원 형태의 나노기둥을 기반으로 광학 단면적을 넓혀 광원 흡수 효율을 높였고, 금과 은을 조합한 바이메탈 구조를 적용해 광학 성능을 강화했다. 또 나노기둥 표면에는 다공성 구조를 도입해 표적 물질의 결합력을 높였으며, 전체 표면적을 넓혀 흡착 효율을 극대화했다. 이를 통해 실제 산호처럼 빛과 표적 물질을 동시에 효과적으로 흡수할 수 있는 기능성 나노구조를 구현했다.
이 나노 산호 구조는 표면증강 라만산란(SERS, Surface-Enhanced Raman Scattering) 센서에 적용되어, 전자기장 시뮬레이션과 최적화 실험을 통해 기존 구조 대비 우수한 민감도와 안정성을 입증했다. 특히, 다공성과 바이메탈 설계에 기반한 높은 광학 증강 효과는 시뮬레이션 결과로도 확인되었다.
표면증강 라만산란(SERS, Surface-Enhanced Raman Scattering) 센서는 금속 나노구조 표면에서 강한 전자기장을 이용해 분자의 라만 신호를 증폭시켜 극미량 물질을 정밀하게 분석할 수 있는 기술이다.
해당 기술은 독성 농약으로 알려진 티람의 초고감도 검출에 적용되었다. 티람은 농업 현장에서 작물 생산성을 높이기 위해 널리 사용되지만, 토양이나 수계에 축적될 경우 생태계뿐만 아니라 인체 건강에도 심각한 영향을 줄 수 있다. 특히 호흡기 질환과 신경계 손상 등 다양한 건강 문제를 유발할 수 있으나, 현실적으로 식수나 수돗물 내 극미량 티람을 정확히 검출할 수 있는 기술은 부족한 상황이다.
연구팀은 실험을 통해 1조 분의 1보다도 훨씬 낮은 농도(514.4 fM)의 티람을 감지할 수 있음을 확인했다. 이는 올림픽 수영장 하나 가득 찬 물에 소금 한두 알을 떨어뜨린 것과 비슷할 정도로 희박한 농도로, 기존 기술로는 감지하기 어려운 수준이다. 또한 실제 환경에서도 토양(347.8 fM), 하천수(475.3 fM), 수돗물(529.1 fM), 식수(549.3 fM) 등 다양한 시료에서 극미량의 티람을 안정적으로 검출하는 데 성공했다.
연구책임자인 박진성 교수는 “이번에 개발한 생태모방 기반의 나노 산호 구조는 단순한 농약 검출을 넘어, 다양한 환경 독성물질 및 바이오마커 감지 등으로 확장 가능한 원천 기술이라는 점에서 큰 의미가 있다”며 “향후 환경 모니터링 및 공공 보건 시스템에 적용될 수 있도록 후속 연구를 이어갈 계획”이라고 말했다.
또한 연구를 수행한 김우창 박사는 “기존 기술의 한계를 넘어, 극미량의 잔류농약을 정밀하게 측정할 수 있게 되었다는 점에서 큰 보람을 느낀다”며, “이번 연구가 환경뿐 아니라 다양한 독성물질 모니터링 기술 개발로 이어지길 기대한다”고 전했다.
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