[중국] 수질 환경에 대한 나노 신속 검출 기술 연구
경제가 발전하는 동시에 각종 환경 오염 문제, 특히 수질 환경 중의 중금속 및 독성 소 분자 오염 사건이 지속적으로 발생하고 있으며 심지어 점점 더 심각해지고 있는 드렌드를 나타내고 있다. 많은 중금속 이온과 소 분자 오염 물질이 하천, 호수, 늪, 저수지 등 수질 환경에 유입되어 환경 생태계가 파괴되고 있는 동시에 식용 수의 수원이 오염되어 인체 건강을 심각히 위협하고 있는 상황이다.
중국과학원 닝보(寧波) 재료기술 및 공정 연구소 우아이궈(吳愛國) 연구원 연구팀은 저장성(浙江省) 자연과학기금위원회의 `걸출 청년 기금 프로젝트`(R5110230) 비용 지원 하에 관련 연구기관과 공동 연구를 실행하여 중금속 및 소 분자 오염 물질에 대한 신속한 검출, 흡착 처리를 실행할 수 있는 기술 개발에서 혁신적인 성과를 달성하여 이슈가 되고 있다.
연구팀은 관련 연구를 통해 에칭 저항 메커니즘(Anti-etching mechanisms)을 이용하고, 나노 은 3각형 조각을 이용한 동시에 색채에 의한 가시 및 자외선 스펙트럼(Visible and ultraviolet spectrum by colorimetric)으로 소 분자 시스테인(Small molecule cysteine)에 대한 신속한 특성 확정 및 정량(定量) 측정을 실현하였는데 최저 검출 한도는 10nM 수준에 달하는 것으로 나타난 동시에 실제 물 샘플에 대한 효과적인 검출을 실현하였다(Nanoscale,2014,6,10631; 중국 국가 발명 특허 신청 번호: 201310367104.1).
연구팀은 집적 메커니즘(Aggregation mechanism)을 통한 동시에 기능화 은(銀) 나노 입자를 이용하여 노인 치매 등 질병 발생과 밀접히 관련되어 있는 Al3+에 대해 신속한 검출을 실현하였으며, 수질 중의 Al3+의 최저 검출 한계를 0.16μM 수준에 도달시켰다(Talanta,2014,122,272-277; 중국 국가 발명 특허 신청 번호: 201310386230.1).
연구팀은 아세테이트(Acetate), 폴리 비닐 피 롤리 돈(polyvinyl pyrrolidone) 및 8-히드 록시 퀴놀린(8-hydroxyquinoline) 기능화 금 나노 입자를 이용한 동시에 중금속 Hg2+가 존재할 때 발생하는 집합 변색(Reunion discoloration) 원리를 이용하여 신속한 검출을 실현하였으며 최저 검출 한계를 10nM 수준에 도달시켰다. 관련 연구 성과는 세계적인 화학 저널인 ‘케미컬 커뮤니케이션(Chem. Commun.)’에 실렸으며 뒤 표지로 선정됐다(Chem.Comm,2014,49,6447-6450; 중국 국가 발명 특허 신청 번호: 201310382118.0과 201310091158.X).
연구팀은 신 에너지 연구소 천량(陳亮) 연구원 연구팀과 공동 연구를 실행하고 집적 메커니즘(Aggregation mechanism)에 기반한 동시에 기능화 금 나노 입자를 통해 육안으로 판별할 수 있는 색상 변화로 수질 중의 9종에 달하는 중금속 이온에 대한 신속한 검출을 실현하였다(Langmuir,2013,29,7591-7599; 중국 국가 발명 특허 신청 번호: 201210159826.3).
이번 연구 성과가 발표된 후 네이처(Nature) 학술지에서 전문 아세아 지역 중요한 과학연구 성과를 보도하는 과학연구 미디어 캐리어(Media carrier)는 연구 하이라이트(Highlights) 형식(Sensors: Metal indicator)으로 이번 연구 성과에 대해 전문 보도를 진행하였다.
연구팀은 기능화 메조 포러스(Mesoporous)를 이용하여 신속한 나안 검출 및 중금속 구리 이온 흡착을 실현하였는데, 동 방법은 구리 이온 검출 한계를 0.95ppm 수준에 도달시키고 최대 흡착 용량을 27.22mg/g 수준에 도달시켰으며 순환 이용을 실현하였다(Dalton Transactions,2014,43,8461). 이번 연구는 중금속에 대한 신속한 검출 및 흡착 회수 기술 개발을 위해 중요한 참고 자료를 제공하였다.
연구팀의 중금속 구리, 카드뮴(Cadmium) 검출 관련 후속 연구는 중국과학원의 STS 프로젝트 비용 지원을 받아 실행되고 있으며, 관련 기술은 향후 토양 속 중금속에 대한 효과적이고 신속한 검출을 실행하는 분야에 보급될 것으로 전망된다.
[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2014년 10월 3일]
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宁波材料所纳米快速检测在水体环境中的应用研究获进展
在经济发展的同时，各种环境污染问题尤其是水体环境中重金属及毒性小分子污染事件层出不穷，甚至有愈演愈烈之趋势。许多重金属离子与小分子污染物进入江河、湖泊、池塘和水库等水体环境，不但使得环境生态系统遭到破坏，而且使得饮用水的水源经常遭受污染，严重威胁人们的身体健康。
在浙江省杰出青年基金（项目批准号：R5110230）的资助下，中国科学院宁波材料技术与工程研究所吴爱国研究团队，通过与相关单位同行合作, 在重金属及小分子污染物的快速检测、吸附处理等方面取得了阶段性进展。
最近，该团队研究发现，通过抗刻蚀机理，利用纳米银三角片通过比色与紫外可见光谱实现了对小分子半胱氨酸的快速定性与定量检测，最低检测限可达到10 nM，并实现了对实际水样的有效检测（Nanoscale,2014,6,10631；中国发明专利申请号：201310367104.1）。此外，通过聚集机理，利用功能化的银纳米粒子对与引起老年痴呆疾病等密切相关的Al3+实现了快速检测，对水体中Al3+的最低检测限达到0.16 μM（Talanta,2014,122,272-277；中国发明专利申请号：201310386230.1）；利用醋酸盐、聚乙烯吡咯烷酮和8-羟基喹啉功能化的金纳米粒子，在重金属Hg2+存在时发生团聚变色的原理，实现了对其快速检测，最低检测限可达10nM，该成果以经典神话故事《西游记》唐僧师徒降魔除妖为杂志的背封面发表于Chem Commun (Chem.Comm,2014,49,6447-6450；中国发明专利申请号：201310382118.0和201310091158.X)。
此前，基于聚集机理，该团队与新能源所陈亮课题组合作利用功能化的金纳米粒子通过肉眼判别颜色的变化实现了对水体中的九种重金属离子的快速检测（Langmuir,2013,29,7591-7599；中国发明专利申请号：201210159826.3）。该成果发表后立即被Nature 杂志专门报道亚洲重要科研成果的科研媒介载体，以研究亮点的形式(Sensors: Metal indicator)进行了专题报道。进一步地，该团队利用功能化的介孔分子筛实现了快速裸眼检测并吸附重金属铜离子，该方法对铜离子的检测限可达到0.95 ppm，最大吸附容量为27.22mg/g，并可实现循环利用（Dalton Transactions,2014,43,8461），该工作将为重金属的快速检测与吸附回收的技术提供参考。
基于上述部分研究成果，浙江省杰出青年基金结题获得优秀。上述部分工作，中科院宁波材料所作为牵头申报单位，获得国家标准委员会的国家标准立项推荐。后续关于重金属铜、镉的检测工作参与并获得中科院STS项目资助，有望将相关技术推广至土壤中重金属有效态的快速检测方面。
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