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광운대 박재영 교수팀, 땀이온 농도 모니터링 멀티센서 패치 개발

중앙일보

입력

박재영 교수(좌)와 아사두자만 박사과정(우)

박재영 교수(좌)와 아사두자만 박사과정(우)

광운대 전자공학과 박재영 교수 연구팀은 전기적, 기계적, 화학적 특성이 탁월한 코어-쉘 나노다공성 탄소(CS-NPC) 및 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT) 기반 나노복합체(CS-NPC@MWCNT)와 이를 이용하여 땀의 나트륨, 칼륨, 칼슘 및 pH 수준을 실시간 동시 모니터링 할 수 있는 멀티센서 패치 개발에 성공하였다. 연구팀이 개발한 고성능의 멀티센서 패치는 땀 기반 건강관리와 질병진단 및 예방에 크게 활용될 것으로 기대된다.

인체의 땀에는 건강 상태 및 질병과 관련된 분자 및 이온, 바이오마커 물질이 많이 포함되어 있기 때문에 비침습적으로 이들을 감지할 수 있는 땀 기반 웨어러블 센서가 최근에 주목을 받고 있다. 현재까지 상용화된 대부분의 웨어러블 의료 및 헬스케어 기기는 혈액, 땀과 같은 생체시료로부터 얻어지는 화학적인 바이오마커를 측정 및 정량화 하기 어렵기 때문에 상대적으로 모니터링하기 쉬운 심박 수, 체온 등의 지표만을 사용하고 있다. 하지만 더 정확하고 상세하게 건강 상태를 측정 및 모니터링하기 위해서는 화학적 지표도 필수적이다. 특히, 땀의 나트륨, 칼륨, 칼슘 및 pH 수준을 모니터링하는 것은 체액 소비 요구 사항을 결정하여 적절한 수분 공급 및 전해질 균형을 보장하는 데 매우 중요하다. 더욱이 운동과 스포츠에 따라 땀의 pH가 변동하며 사람마다 다르다. 따라서 정확하게 이온 농도의 정량화를 위해서는 pH 변화에 기반한 보정 메커니즘을 통합한 Na+, K+ 및 Ca2+ 이온 농도 검출을 위한 멀티센서 패치 개발이 중요하다.

완전 고체 접촉(SC, Solid Contact) 이온 선택성 전극을 기반으로 하는 전위차 센서는 센서 소형화, 적은 시료량, 손쉬운 취급 및 대량 생산 확장성이 용이하여 다양한 전해질 이온을 검출하는 전기화학 센서기술 분야에서 인기를 얻고 있다. 하지만, 이러한 장치는 이온 선택막(ISM, Ion Selective Membrane)과 고체 접촉(SC) 사이의 경계면에 의도치 않게 형성되는 얇은 물 층으로 인해 문제가 발생하기 쉽다. 결과적으로 잠재적인 전위 드리프트에 취약하고, 삼투압 변화에 민감하며, 궁극적으로 막 박리로 인한 기계적 고장에 취약하다. 더욱이, 빛, 산소, 이산화탄소 및 국소 pH에 대한 민감도로 인해 전위 드리프트가 발생할 수 있다.

따라서 이온선택성전극(ISE) 기반 패치를 활용하여 다양한 전해질을 장기간 안정적으로 모니터링하고 간섭효과를 최소화하는 것이 매우 중요하다. 연구팀은 고유 표면적이 매우 높은 MOF(금속-유기 구조체)와 높은 소수성과 전기 전도성을 지닌 다중벽 탄소 나노튜브(MWCNT)를 사용하여 견고한 고체 접촉으로 사용할 수 있는 나노복합체를 성공적으로 개발하였다. 높은 표면적을 갖는 고체 접촉을 이용하여 ISM과 SC 층 사이에 높은 이중층 커패시턴스를 형성하여 전위 드리프트를 최소화함으로써 전위 안정성을 확보하였고 고체접촉물질을 소수화함으로써 수층 형성 문제를 제거하였다.

연구팀은 Zn-NPC(ZIF-8에서 유래)의 넓은 표면적과 Co-NPC(ZIF-67에서 유래)의 높은 전기 흑연 유사 전도성을 결합하기 위해 하이브리드(코어-쉘) 구조를 합성하였고, 이는 우수한 전기 전도성과 초고표면적을 지닌 하이브리드 나노다공성 탄소(Co/Zn-NPC)를 개발하였다. 또한, Co/Zn-NPC로부터 Co 및 Zn 금속종을 화학적으로 에칭하여 공극 생성으로 인해 메조기공이 있는 높은 표면적을 갖는 코어-쉘 나노다공성 탄소(CS-NPC)를 생성하였다. 고체 접촉 재료의 다공성 구조는 이온 이동 및 축적에 유리하다.

아래 그림은 개발된 고체 접촉(SC) 나노복합소재와 다양한 땀 전해질에 실시간으로 반응하는 미세 유체 땀 수집 채널을 통합한 멀티센서 패치와 그 성능을 보여준다. CS-NPC@MWCNT 변형 SC 기반 전극은 전기화학적 표면적과 이온-전자 변환 활성을 크게 증가시켜 높은 표면적으로 인해 ISM과 SC 경계면에서 높은 이중층 정전용량(2.45mF)을 형성하였다. BET 표면적은 357m2.g-1, ECSA 10.53cm2)이며 SC 재료의 흑연 전기 전도성과 높은 비정전용량(270F.g-1) 특성을 나타냈다. 생리학적 땀 범위 내에서 센서는 Na+, K+, Ca2+ 및 pH에 대해 60.11mV/decade, 58.8mV/decade, 29.04mV/decade 및 -68mV/pH의 우수한 Nernstian 감도를 나타냈으며 매우 낮은 전위 드리프트를 보였다(Ca2+ ISE의 경우 0.53μV/h). 또한, pH 변화에 따른 전해질 값을 교정하기 위한 분석적 접근 방식을 적용하여 땀 전해질의 정량을 보다 정확하게 얻을 수 있었다.

한편, 이번 연구는 산업통상자원부의 산업기술혁신사업?(RS-2022-00154983, 저전력 센서와 구동을 위한 자립형전원 센서 플랫폼 개발)과 2022년도 광운대학교 우수연구자 지원사업으로 수행되었고, 결과는 화학공학분야 최고 수준의 세계적 학술지인 엘시비어 (Elsevier) 출판의 케미컬 엔지니어링 저널 (Chemical Engineering Journal, 인용지수: 15.1)'에 게재되었다.

(A) CS-NPC 및 MWCNT 기반 고체 접촉(SC) 나노복합체(CS-NPC@MWCNT) 합성 절차의 개략도, (B) CS-NPC@MWCNT 나노복합체의 FESEM, (C) 땀 수집을 위한 미세 유체 채널을 포함하는 멀티센서 패치 층의 개략도, (D) SC 기반 제작 패치를 착용한 지원자, (E-F) 제작된 멀티센서 패치로 정량화된 땀 Ca2+, Na+, pH 및 K+ 전해질의 실시간 값

(A) CS-NPC 및 MWCNT 기반 고체 접촉(SC) 나노복합체(CS-NPC@MWCNT) 합성 절차의 개략도, (B) CS-NPC@MWCNT 나노복합체의 FESEM, (C) 땀 수집을 위한 미세 유체 채널을 포함하는 멀티센서 패치 층의 개략도, (D) SC 기반 제작 패치를 착용한 지원자, (E-F) 제작된 멀티센서 패치로 정량화된 땀 Ca2+, Na+, pH 및 K+ 전해질의 실시간 값

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