박진성 교수팀, ‘영원한 화학물질’ PFOA 242펨토몰 수준 초고감도 검출 성공

- 자석 원리 이용한 나노기술로 기존 미국 기준보다 수십 배 정밀한 센서 개발

- 환경 오염 및 인체 혈액 속 유독 물질을 현장에서 즉시 확인 가능해져

▲ (왼쪽부터) 박대일 석박통합과정(제1저자), 조원준 석박통합과정(제1저자), 박주형 박사(교신저자), 박진성 교수(교신저자), 김치현 박사(교신저자), 김수빈 석사과정(제1저자))

바이오메카트로닉스학과 박진성 교수 연구팀은 자연 상태에서 분해되지 않아 '영원한 화학물질'이라 불리는 과불화옥탄산(PFOA)을 세계 최고 수준의 감도로 찾아낼 수 있는 초고감도 전기화학 센서를 개발했다.

이번 연구 성과는 전 세계적으로 강화되고 있는 환경 규제에 발맞추어, 극미량의 독성 물질까지도 현장에서 쉽고 정확하게 측정할 수 있는 길을 열었다는 점에서 큰 주목을 받고 있다. 연구 결과는 화학공학 분야의 세계적인 권위지인 ‘케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal, IF 13.2)’에 게재되었다.

PFOA는 우리가 흔히 사용하는 프라이팬의 코팅제, 방수 옷, 일회용품 포장재 등에 널리 쓰여왔다. 하지만 자연에서 거의 썩지 않고 사람의 몸속에 쌓여 간 독성이나 면역 이상을 일으키는 치명적인 단점이 있다. 이 때문에 미국 환경보호청(EPA) 등 전 세계 국가들은 식수 내 PFOA 허용 기준을 매우 엄격하게 제한하고 있다.

박진성 교수팀이 개발한 새로운 센서는 0.242 pM(피코몰, 1조 분의 1몰) 수준의 농도까지 감지해낼 수 있다. 이는 미국 EPA의 음용수 기준(약 9.6 pM)보다 무려 수십 배나 낮은 농도까지 정량적으로 측정할 수 있는 놀라운 수치다.

▲ 자기 농축기술 기반 폴리(p-페닐렌디아민) 코팅 자기 나노입자(p-MNPs) 활용한 PFOA 검출 전기화학 시스템의 개략도

이처럼 정밀한 측정이 가능했던 비결은 연구팀이 고안한 ‘자석 원리’와 ‘특수 고분자’의 결합에 있다. 연구팀은 PFOA와 만나면 전기 신호가 변하는 특수한 고분자(poly(p-PD))를 사용했다. 여기에 자성을 띠는 나노입자를 결합해, 외부에서 자기장을 가하면 분석 대상 물질이 전극 근처로 자석처럼 착 달라붙어 집중되도록 만들었다. 마치 흩어져 있는 바늘을 강력한 자석으로 모아 한꺼번에 찾아내는 원리와 같다.

연구팀은 실험실 환경뿐만 아니라 실제 수돗물과 사람의 혈청(피)을 대상으로도 성능 검증을 마쳤다. 특히 일상생활에서 자주 쓰이는 종이 빨대와 프라이팬에서 흘러나온 물질을 분석한 결과, 수억 원에 달하는 고가의 전문 분석 장비와 비교해도 오차가 5% 이내일 정도로 정확도가 높았다. 이는 비싼 장비 없이도 누구나 쉽고 저렴하게 환경 독성 물질을 감시할 수 있음을 의미한다.

박진성 교수는 “이번 연구는 분자 단위의 정밀한 기술과 물리적인 자석 원리를 결합해 센서의 한계를 뛰어넘은 사례”라며 “앞으로 이 기술을 더욱 발전시켜 휴대용 환경 모니터링 장치를 개발하고, 다양한 유해 물질을 동시에 분석할 수 있도록 할 계획”이라고 밝혔다.

실험을 주도한 조원준 연구원은 “우리가 마시는 물과 몸속의 유해 물질을 더 정밀하게 감지해 환경 오염을 예방하고 사람들의 건강을 지키는 데 기여하고 싶다”고 덧붙였다.

본 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 중견연구 및 세종과학펠로우십 등 다양한 정부 지원 사업을 통해 수행되었다.

※ 논문명: Magnetically enriched poly(p-phenylenediamine) nanoparticles for ultrasensitive detection of PFOA

※ 학술지: Chemical Engineering Journal

※ 논문링크: https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.173857