[미국] MIT 연구팀, 물 속 납 수준 감지하는 센서 개발

칩 크기 센서로 전 세계 2억4천만 명에게 영향 미치는 식수 납 수준 감지 가능

학계·산업계 등 12명 연구원 참여…『네이처 커뮤니케이션』 저널에 게재

매사추세츠공과대학교(MIT), 난양공과대학교 및 여러 기업의 엔지니어들은 물 속 납 농도를 감지하고 측정하는 작고 저렴한 기술을 개발해 지속적인 세계 보건 문제를 해결하는 데 기여할 것이라고 밝혔다. [사진제공(Photo Source) = MIT]

 

매사추세츠공과대학교(MIT), 난양공과대학교 및 여러 기업의 엔지니어들은 물 속 납 농도를 감지하고 측정하는 작고 저렴한 기술을 개발해 지속적인 세계 보건 문제를 해결하는 데 기여할 것이라고 밝혔다.

세계보건기구(WHO)는 전 세계적으로 2억4천만 명이 안전하지 않은 수준의 독성 납이 포함된 식수에 노출돼 있다고 추정했다. 납이 함유된 식수는 어린이 뇌 발달에 영향을 미치고 선천적 장애를 일으키며 다양한 신경, 심장 및 기타 손상을 일으킬 수 있다. 미국에서는 약 1천만 가구가 여전히 납 파이프를 통해 식수를 공급받고 있다.

본 연구의 저자인 지아 쉬 브라이언 시아(Jia Xu Brian Sia) MIT 박사후 연구원은 "이는 해결되지 않은 공중 보건 위기로, 이로 인해 매년 100만 명 이상이 사망한다"고 말했다.

그러나 물 속의 납을 검사하기 위해서는 비싸고 번거로운 장비가 필요하며, 일반적으로 결과를 얻는 데 수일이 걸린다. 또한 간단한 스트립을 사용해 납 함유 여부만을 확인할 수 있고, 농도에 대한 정보는 제공하지 않는다. 현재 EPA 규정에 따르며, 식수에는 10억분의 15 이하로 납을 포함하도록 요구하고 있으며, 농도가 너무 낮아 감지하기 어렵다는 문제가 있다.

2~3년 내에 상업적으로 출시될 이 새로운 시스템은 휴대용 장치에 내장된 간단한 칩 기반 감지기를 사용해 10억분의 1까지 낮은 납 농도를 높은 정확도로 감지할 수 있다. 이 기술은 즉각적인 정량 측정을 제공하며 물 한 방울만 있어도 측정이 가능하다.

이 연구는 『네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)』 저널에 게재됐으며, MIT의 시아 연구원, 루이지 란노(Luigi Ranno) 대학원생, 주준 후(Juejun Hu) 교수를 비롯해 학계 및 산업계의 다른 기관의 연구원을 포함한 총 12명이 저자로 이름을 올렸다.

연구진은 빛을 이용해 측정하는 광자 칩(Photonic Chips)을 기반으로 한 간단한 감지 방법을 찾기 시작했다. 연구 중 어려웠던 부분은 납과 같은 특정 이온을 포착할 수 있는 크라운 에테르(Crown Ethers)로 알려진 특정 고리 모양 분자를 광자 칩 표면에 부착하는 방법을 찾는 것이었다. 수년간의 노력 끝에 피셔 에스테르화(Fischer Esterification)라고 알려진 화학적 공정을 통해 이러한 부착을 달성할 수 있었다. 시아 연구원 “이것은 우리가 이 기술에서 이룬 필수적인 혁신 중 하나”라고 설명했다.

새로운 칩을 테스트하면서 연구진은 10억 분의 1 정도의 낮은 농도에서도 물 속 납을 감지할 수 있음을 보여줬다. 광미(Mine Tailings)와 같은 환경오염을 테스트하는 것과 관련이 있을 수 있는 훨씬 더 높은 농도에서 정확도는 4% 이내로 나타났다.

이 장치는 대부분의 환경 샘플을 포함하는 pH 6에서 8 사이의 다양한 산도 수준의 물에서 작동하며, 수돗물뿐만 아니라 바닷물을 이용한 테스트를 통해 측정의 정확도를 검증했다.

이러한 측정의 정확도를 달성하기 위해서 현재 테스트는 유도 결합 플라즈마 질량 분석기라는 장치를 필요로 한다. 시아 연구원은 "이러한 설정은 규모가 크고 비용이 많이 들며, 샘플 처리에는 수일이 걸릴 수 있으며 숙련된 기술 인력을 필요로 한다"고 설명했다.

란노 대학원생은 개발된 새로운 칩 시스템이 혁신의 핵심 부분이기는 하지만 실제 사용을 위한 통합형 휴대용 장치로 개발하기 위해서는 추가 연구가 필요할 것이라고 말했다. 이어 “실제 제품을 만들기 위해서, 사용 가능한 폼 팩터(Form Factor)에 포장할 필요가 있을 것"이라고 설명했다. 여기에는 광자 칩에 작은 칩 기반의 레이저를 결합시키는 것이 포함된다. 이는 기계 설계, 광학 설계, 화학, 공급망 파악의 문제이다. 시간이 소요되기는 하지만 기본 개념은 간단하다.

이 시스템은 물 속의 카드뮴, 구리, 리튬, 바륨, 세슘, 라듐을 포함한 다른 유사 오염물질을 감지하도록 조정할 수 있다. 이 장치는 각각 특정 이온과 결합할 수 있는 서로 다른 크라운 에테르를 사용하는 다른 원소들을 감지하기 위해 교체할 수 있는 간단한 카트리지와 함께 사용될 수 있다.

란노 대학원생은 “특히 개발도상국에서는 물을 충분히 측정하지 못한다는 문제가 있다"며 "그 이유는 물을 모아서 샘플을 준비하고 이를 극도로 비싼 거대한 장비로 가져와야 하기 때문"이라고 설명했다. 이어 "교육을 받지 않은 직원이라도 저렴한 비용으로 현장 모니터링을 위해 소형 장치를 사용하면 정기적이고 지속적인 광범위한 테스트가 가능해질 수 있다"고 덧붙였다.

후 교수는 “이것이 빨리 구현돼 인류 사회에 도움이 될 수 있기를 바란다”며 "이는 실제로 사회에 매우 실질적인 영향을 미칠 수 있는 실험실 혁신에서 나온 기술의 좋은 예”라고 설명했다.

이 연구와 관련이 없는 허우왕(Hou Wang) 중국 후난대 환경과학공학과 부교수는 "이 연구가 여러 금속 원소, 특히 현재 방사성 원소를 동시에 검출하는 것으로 확장될 수 있다면 그 잠재력은 엄청날 것"이라고 말했다.

왕 교수는 “이 연구는 물 속의 납 농도를 즉시 감지할 수 있는 센서를 설계했다. 이를 통해 배터리 제조, 납 제련 등 산업에서 배출되는 폐수의 납 오염 농도를 실시간으로 모니터링할 수 있어 산업폐수 모니터링 시스템 구축이 용이해진다. 이번 연구의 혁신적 측면과 발전 가능성은 매우 칭찬할 만하다고 생각한다”고 밝혔다.

이 연구에는 MIT, 난양공과대학, 싱가포르 테마섹연구소(Temasek Laboratories), 영국 사우샘프턴대학(University of Southampton), 싱가포르 핀게이트 테크놀로지스(Fingate Technologies), 말레이지아에 본사를 둔 벌컨 포토닉스(Vulcan Photonics) 등의 연구원들이 참여됐다. 또한 MIT 나노(MIT.nano), 하버드 대학 나노스케일 시스템 센터(Harvard University Center for Nanoscale Systems), NTU의 마이크로 및 나노 전자 센터(NTU’s Center for Micro- and Nano-Electronics), 난양 나노 제조 센터(Nanyang Nanofabrication Center)의 시설을 사용했다.

[원문보기]

Scientists develop an affordable sensor for lead contamination

The chip-scale device could provide sensitive detection of lead levels in drinking water, whose toxicity affects 240 million people worldwide.

 

Engineers at MIT, Nanyang Technological University, and several companies have developed a compact and inexpensive technology for detecting and measuring lead concentrations in water, potentially enabling a significant advance in tackling this persistent global health issue.

The World Health Organization estimates that 240 million people worldwide are exposed to drinking water that contains unsafe amounts of toxic lead, which can affect brain development in children, cause birth defects, and produce a variety of neurological, cardiac, and other damaging effects. In the United States alone, an estimated 10 million households still get drinking water delivered through lead pipes.

“It’s an unaddressed public health crisis that leads to over 1 million deaths annually,” says Jia Xu Brian Sia, an MIT postdoc and the senior author of the paper describing the new technology.

But testing for lead in water requires expensive, cumbersome equipment and typically requires days to get results. Or, it uses simple test strips that simply reveal a yes-or-no answer about the presence of lead but no information about its concentration. Current EPA regulations require drinking water to contain no more that 15 parts per billion of lead, a concentration so low it is difficult to detect.

The new system, which could be ready for commercial deployment within two or three years, could detect lead concentrations as low as 1 part per billion, with high accuracy, using a simple chip-based detector housed in a handheld device. The technology gives nearly instant quantitative measurements and requires just a droplet of water.

The findings are described in a paper appearing today in the journal Nature Communications, by Sia, MIT graduate student and lead author Luigi Ranno, Professor Juejun Hu, and 12 others at MIT and other institutions in academia and industry.

The team set out to find a simple detection method based on the use of photonic chips, which use light to perform measurements. The challenging part was finding a way to attach to the photonic chip surface certain ring-shaped molecules known as crown ethers, which can capture specific ions such as lead. After years of effort, they were able to achieve that attachment via a chemical process known as Fischer esterification. “That is one of the essential breakthroughs we have made in this technology,” Sia says.

In testing the new chip, the researchers showed that it can detect lead in water at concentrations as low as one part per billion. At much higher concentrations, which may be relevant for testing environmental contamination such as mine tailings, the accuracy is within 4 percent.

The device works in water with varying levels of acidity, ranging from pH values of 6 to 8, “which covers most environmental samples,” Sia says. They have tested the device with seawater as well as tap water, and verified the accuracy of the measurements.

In order to achieve such levels of accuracy, current testing requires a device called an inductive coupled plasma mass spectrometer. “These setups can be big and expensive,” Sia says. The sample processing can take days and requires experienced technical personnel.

While the new chip system they developed is “the core part of the innovation,” Ranno says, further work will be needed to develop this into an integrated, handheld device for practical use. “For making an actual product, you would need to package it into a usable form factor,” he explains. This would involve having a small chip-based laser coupled to the photonic chip. “It’s a matter of mechanical design, some optical design, some chemistry, and figuring out the supply chain,” he says. While that takes time, he says, the underlying concepts are straightforward.

The system can be adapted to detect other similar contaminants in water, including cadmium, copper, lithium, barium, cesium, and radium, Ranno says. The device could be used with simple cartridges that can be swapped out to detect different elements, each using slightly different crown ethers that can bind to a specific ion.

“There’s this problem that people don’t measure their water enough, especially in the developing countries,” Ranno says. “And that’s because they need to collect the water, prepare the sample, and bring it to these huge instruments that are extremely expensive.” Instead, “having this handheld device, something compact that even untrained personnel can just bring to the source for on-site monitoring, at low costs,” could make regular, ongoing widespread testing feasible.

Hu, who is the John F. Elliott Professor of Materials Science and Engineering, says, “I’m hoping this will be quickly implemented, so we can benefit human society. This is a good example of a technology coming from a lab innovation where it may actually make a very tangible impact on society, which is of course very fulfilling.”

“If this study can be extended to simultaneous detection of multiple metal elements, especially the presently concerning radioactive elements, its potential would be immense,” says Hou Wang, an associate professor of environmental science and engineering at Hunan University in China, who was not associated with this work.

Wang adds, “This research has engineered a sensor capable of instantaneously detecting lead concentration in water. This can be utilized in real-time to monitor the lead pollution concentration in wastewater discharged from industries such as battery manufacturing and lead smelting, facilitating the establishment of industrial wastewater monitoring systems. I think the innovative aspects and developmental potential of this research are quite commendable.”

Wang Qian, a principal research scientist at the Institute of Materials Research in Singapore, who also was not affiliated with this work, says, “The ability for the pervasive, portable, and quantitative detection of lead has proved to be challenging primarily due to cost concerns. This work demonstrates the potential to do so in a highly integrated form factor and is compatible with large-scale, low-cost manufacturing.”

The team included researchers at MIT, at Nanyang Technological University and Temasek Laboratories in Singapore, at the University of Southampton in the U.K., and at companies Fingate Technologies, in Singapore, and Vulcan Photonics, headquartered in Malaysia. The work used facilities at MIT.nano, the Harvard University Center for Nanoscale Systems, NTU’s Center for Micro- and Nano-Electronics, and the Nanyang Nanofabrication Center.

[출처 = MIT(https://news.mit.edu/2024/scientists-develop-affordable-sensor-for-lead-contamination-0514) / 2024년 5월 14일]