[캐나다] 물 속 나노·미세 플라스틱 즉시 감지 기술 개발

캐나다 맥길대 연구팀, 'AI 지원 나노-DIHM(AI 지원 나노 디지털 인라인 홀로그램현미경)'에서 혁신기술 개발

나노플라스틱과 미세플라스틱이 다른입자로 코팅된 경우 자동감지 및 구별할 수 있어…수생골격 플라스틱 오염에 대한 국민인 이해 제공

AI 지원 도구, 전례없는 Real로 실시간 분석 제공…『Environmental Science & Technology』에 대한 연구논문 발표

캐나다 몬트리올에 있는 맥길대학교(McGill University)가 선도하는 물 속의 다른 모든 입자에서 나노플라스틱(나노플라스틱)을 감지하고해결할 수 있는 최초의 실시간 현장에서 소재를 개발했다. [사진출처(사진출처) = 맥길대학교(McGill University)]

 

캐나다 몬트리올에 있는 캐나다 최고의 맥길대학교(McGill University)가 선도하는 물 속의 다른 모든 입자에서 나노플라스틱(나노플라스틱)을 감지하고해결할 수 있는 최초의 실시간 현장에서 소재를 개발했다. 이는 마치 건초 더미에서 0.001초(밀리세컨드, 밀리초) 안에 바늘을 찾을 수 있는 것과 같습니다.

미세플라스틱(microplastic) 조각은 1마이크로미터(㎛)에서 5밀리미터(㎜) 사이로, 대략 쌀알크기이며, 나노플라스틱은 훨씬 더 작습니다. 인치 단위의 나노미터(nm)는 0.000001mm에 불과합니다. 비교하는 사람의 머리카락은 대략 8만∼10만nm의 너비입니다.

이번 연구의 주 저자인 맥길대학교의 제임스 맥길 화학과와 대기·해양과학과 교수인 파리사 아리야(Parisa Ariya)는 “이 기술은 플라스틱 오염을 모니터링하고하느냐방법혁명을 일으킬 가능성이 있으며 궁극적으로 환경보존에 기여한다”고 밝혔다.

[그림 1] AI 지원 나노-DIHM(AI 지원 나노 디지털 인라인 홀로그램시야)

‘AI 지원 나노-DIHM’은 온타리오 호수와 세인트 로렌스 강에서 각각 수인성 입자의 2%와 1%를 나노/미세 플라스틱으로 식별한다. 나노-DIHM은 크기, 모양, 광학 위상, 둘레, 표면적, 거칠기 및 가장자리 기울기를 포함한 단일 입자 또는 나노/미세 플라스틱 클러스터의 물리화학적 특성을 제공한다. [그림출처(picture source) = 『Environmental Science & Technology』]

 

유엔환경계획(UNEP)에 따르면 매일 약 2천대 분량의 쓰레기 트럭에 플라스틱이 가득 실려 전 세계의 바다, 강, 호수에 버려지고 있다. 기존 검출 방법의 한계로 인해 나노플라스틱이 생태계에 미치는 영향을 이해하는 것은 어려운 일이었다.

인공지능 기반 혁신은 플라스틱 오염에 대한 실시간 분석에 대한 중요한 요구를 해결할 수 있다. ‘AI 지원 나노-DIHM(AI-Assisted Nano-DIHM, artificial intelligence-assisted nanodigital in-line holographic microscopy)’이라고 불리는 ‘AI 지원 나노 디지털 인라인 홀로그램 현미경(artificial intelligence-assisted nanodigital in-line holographic microscopy)’인 이 기술은 최근 출판물에 공개된 이후 전문가들로부터 주목을 받고 있다.

[그림 2] Milli-Q 물에 있는 나노/마이크로폴리에틸렌(PE) 플라스틱 입자의 강도 및 위상 재구성

(a) 재구성 평면 z = 403 μm에서 직경 197 nm의 PE 나노플라스틱 입자의 강도 재구성. (b) 436μm에서 수중 유기 올레산으로 코팅된 PE 나노플라스틱 입자. (c) 6036μm에서 재구성된 폭 215μm의 PE 미세플라스틱 입자. (d) 재구성 평면 19794 μm에서 4.5mm 크기의 PE 펠렛. (e-h) 패널 (a-d)에 대한 위상 재구성. 재구성은 4Deep Octopus 소프트웨어를 사용하여 수동으로 수행된다. [그림출처(picture source) = 『Environmental Science & Technology』]

 

오염 ‘핫스팟’을 식별하기 위한 실용적인 도구

파리사 아리야(Parisa Ariya) 교수는 “우리 연구에서는 ‘AI 지원 나노-DIHM(AI 지원 나노 디지털 인라인 홀로그램 현미경)’이 나노플라스틱과 미세플라스틱이 다른 입자로 코팅된 경우에도 자동으로 감지하고 구별할 수 있어 수생 생태계의 플라스틱 오염에 대한 포괄적인 이해를 제공한다는 사실을 입증했다”고 말했다.

[그림 3] 3D 입자 크기 및 공간 분포 분석과 수인성 입자의 4D 실시간 현장 동적 추적

(a) 단일 홀로그램에 있는 113개의 수성 입자의 공간 분포. (b) 패널(a)에 대한 113개 입자의 3D 입자 크기. (c) 113개의 수인성 입자에 관한 입자 크기 및 부피 통계표. (d-1, d-2) 3D 재구성을 통해 얻은 3D 디스플레이 및 입자 크기 데이터의 두 가지 예이다. (e) 동적 수성 입자의 8개 연속 강도 재구성 이미지를 편집한 것입니다. (f) 패널(e)에 원으로 표시된 동일한 입자의 4D(3D + 시간) 궤적이다. 3D 및 4D 재구성은 Octopus 소프트웨어로 얻는다. [그림출처(picture source) = 『Environmental Science & Technology』]

 

이 기술은 오염 ‘핫스팟(hotspots)’을 보다 효과적으로 식별하고 해결하기 위한 실용적인 도구를 제공한다. 온타리오 호수(Lake Ontari)와 세인트 로렌스 강( St. Lawrence River)의 예비조사결과에 따르면 ‘AI 지원 나노-DIHM’은 수인성 입자 내의 미세플라스틱 및 나노플라스틱을 식별할 수 있다.

캐나다 국립연구위원회(National Research Council of Canada)와 협력하여 개발된 이 선구적인 기술은 환경 모니터링 분야에서 중요한 혁신을 의미한다.

[그림 4] 연구된 마이크로 및 나노 크기 플라스틱 입자의 분포 및 예측 축적 영역에 대한 모델 결과

시뮬레이션 16일차 모델링 영역에서 (a) 마이크로 크기 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 및 (b) 나노 크기 PET 플라스틱 입자의 모델링된 분포. 더글라스 섬과 조지아 해협 사이에서 연구된 (c) 마이크로-PET 및 (d) 나노-PET 입자의 예상 축적 영역. [그림출처(picture source) = 『Environmental Science & Technology』]

 

이번 연구결과는 지왕(Zi Wang), 데벤드라 팔(Devendra Pal), 아볼가셈 필레치(Abolghasem Pilechi) 및 파리사 아리야(Parisa Ariya) 박사 등이 공동저자로, ‘물 속 나노플라스틱 : 인공 지능을 이용한 4D 물리화학적 특성화 및 신속한 현장 감지(artificial intelligence-assisted 4D physicochemical characterization and rapid in situ detection)’라는 제목으로 미국화학협회(American Chemical Society, ACS)에서 격주간 발행하는 학술지인 『Environmental Science & Technology』 5월 21일자에 게재되었다.

‘물 속 나노플라스틱 : 인공 지능을 이용한 4D 물리화학적 특성화 및 신속한 현장 감지(artificial intelligence-assisted 4D physicochemical characterization and rapid in situ detection)’라는 연구논문이 국제학술지 『Environmental Science & Technology』 5월 21일자에 특집으로 게재되었다. [사진출처(Photo source) = 『Environmental Science & Technology』]

 

[원문보기]

AI-assisted tool offers real-time analysis with unprecedented accuracy

 

맥길 대학이 이끄는 연구팀은 물 속에 있는 다른 모든 입자와 나노플라스틱을 감지하고 구별할 수 있는 최초의 실시간 현장 기술을 개발했습니다. 이는 밀리초 단위로 건초더미에서 바늘을 찾는 것과 같은 능력입니다.

미세 플라스틱 조각은 1마이크로미터에서 5밀리미터 사이로, 쌀 한 알과 거의 같습니다. 나노 플라스틱은 훨씬 더 작습니다. 나노미터는 0.000001밀리미터에 불과합니다. 비교를 위해 인간의 머리카락은 약 80,000-100,000나노미터 너비입니다.

"이 기술은 플라스틱 오염을 모니터링하고 관리하는 방식을 혁신할 잠재력이 있으며, 궁극적으로 우리 환경 보존에 기여할 것입니다." 맥길 대학 화학 및 대기 및 해양 과학과의 제임스 맥길 교수이자 이 연구의 주저자인 파리사 아리야의 말이다.

유엔 환경 계획(UNEP)에 따르면, 매일 약 2,000대의 쓰레기 트럭에 해당하는 양의 플라스틱이 전 세계의 바다, 강, 호수에 버려집니다. 기존 탐지 방법의 한계로 인해 나노플라스틱이 생태계에 미치는 영향을 이해하는 것은 어려웠습니다.

인공 지능 기반 혁신은 플라스틱 오염의 실시간 분석에 대한 중요한 필요성을 해결합니다. 이 기술은 AI 지원 나노 디지털 인라인 홀로그램 현미경으로, 'AI 지원 나노-DIHM'이라고 불리며, 최근 간행물에서 혁신이 공개된 이후 전문가들의 주목을 받고 있습니다.

오염 '핫스팟'을 식별하기 위한 실용적인 도구

Ariya는 "저희 연구에 따르면 AI 지원 나노-DIHM은 다른 입자로 코팅되어 있어도 나노플라스틱과 미세플라스틱을 자동으로 감지하고 구별할 수 있어 수생 생태계의 플라스틱 오염에 대한 포괄적인 이해를 제공합니다."라고 말했습니다.

이 기술은 오염 "핫스팟"을 보다 효과적으로 식별하고 해결하기 위한 실용적인 도구를 제공합니다. 온타리오호와 세인트 로렌스 강의 예비 조사 결과에 따르면 AI 지원 나노-DIHM은 수중 입자 내의 미세 및 나노 플라스틱을 식별할 수 있습니다.

캐나다 국립연구위원회와의 협력으로 개발된 이 선구적인 기술은 환경 모니터링에 있어서 중요한 획기적인 진전을 나타냅니다.

연구에 대하여

Zi Wang, Devendra Pal, Abolghasem Pilechi, Parisa A. Ariya의 "물 속의 나노플라스틱: 인공지능 지원 4D 물리화학적 특성화 및 신속한 현장 감지"가 Environmental Science & Technology에 게재되었습니다.

[출처 = 맥길대학교(McGill University) ( https://www.mcgill.ca/newsroom/channels/news/cutting-edge-technology-detects-nanoplastics-water-instantly-357890 ) / 2024년 7월 4일]

[연구논문 출처 = 『환경과학기술』 ( https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.3c10408 ) / 2024년 5월 21일자 발행]