하태준 교수(전자재료공학과) 연구팀, Cd2+와 Hg2+ 중금속 이온의 동시 감지가 가능한 ZIF-67 금속 유기 구조체 기반의 고성능 전기화학 바이오 센서 개발

본교 하태준 교수(전자재료공학과) 연구팀은 경희대학교 김주훈 교수와 함께 La 도핑과 L-cysteine 기능화를 통해 Hg2+와 Cd2+ 중금속 이온 검지 감도를 크게 향상시킨 zeolitic imidazolate framework (ZIF)-67 금속 유기 구조체 기반의 고성능 전기화학 센서를 개발하는데 성공하였다. 이번 연구 결과는 Elsevier에서 발행하는 재료과학 분야에서 최상위 국제학술지인 Applied Surface Science (IF: 6.3, JIF ranking: 89.1%)에 Electrochemical environmental sensors based on La-doped zeolitic imidazolate framework-67 functionalized with L-cysteine for simultaneous detection of Cd2+ and Hg2+ 제목으로 게재되었다

(참조: https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2025.162549)

최근 비약적인 산업 발전으로 인하여 중금속으로 인한 환경 오염이 심각해지고 있으며 그 중 Cd2+와 Hg2+는 인체에 심각한 영향을 미칠 수 있기 때문에 이러한 중금속 이온들을 정밀하게 선택적으로 검지하는 것은 매우 중요하다. 금속 유기 구조체 (metal organic framework, MOF)는 다공성 소재로 높은 표면적을 가지는 구조적 특성으로 인하여 다양한 전기화학적 응용 분야에서 연구되고 있다.

이에 하태준 교수 연구팀은 경희대학교 김주훈 교수와 함께 Cd²⁺ 및 Hg²⁺의 고감도 동시 검지가 가능한 환경 모니터링을 위해서 ZIF-67 금속 유기 구조체 기반의 고성능 전기화학 센서를 개발하였다. 매우 낮은 농도의 Cd2+ 및 Hg2+를 동시에 감지하기 위해서 La 도핑을 통해 전도도를 개선하였고, L- cysteine 기능화를 통해 선택성을 증가시켰다. 최적화된 합성 연구를 통해 개발된 전기화학 환경 센서는 낮은 검출 한계(Cd2+의 경우 10 nM , Hg2+의 경우 52 nM) 및 높은 신뢰성 (1.24%의 표준 편차로)을 포함한 우수한 바이오 센서 성능을 보였다. 또한, 증착 전위, 증착 시간, pH 등의 매개변수를 조정하여 Cd²⁺ 및 Hg²⁺의 독립적이며 동시 검지가 가능함을 확인했다.

La 도핑과 L- cysteine 기능화를 통한 ZIF-67 기반 전기 화학 방식의 바이오 센서

한편, 이번 연구는 산업통상자원부가 주관하는 탄소중립 산업핵심기술개발사업 및 미래창조과학부가 주관하는 한구연구재단 기초연구실 사업 지원으로 수행되었으며, 하태준 교수 연구팀은 지금까지 첨단 재료 및 공정 최적화 연구 기반의 센서 및 에너지 소자와 관련하여 80여편의 논문을 게재했으며 20여건의 특허를 보유하고 있다. 또한 하 교수는 현재 한국 센서학회의 산학협력이사 및 학회편집을 맡고 있다.