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19세기 이후 화학기술의 급격한 발전으로 말미암아, 1900년대부터 대량생산이 가능해지게 되었으며 이는 인류에게 전에 없는 물질적 풍요를 안겨다 주었다. 그러나 화학물질은 동전의 양면과 같아서, 사용하기에 따라 위험한 물질이 될 수도 있고 특정 목적에 효과적인 물질이 될 수도 있다. 일례로 농약과 폭발물을 들 수 있는데, 농약과 폭발물 모두 사람에게 직접적 상해를 입힐 수 있는 물질이기도 하면서 현대 사회를 유지하는데 없어서는 안 될 중요한 물질이기도 하다. 농약은 병충해로부터 작물을 지켜 농업 생산량이 높아지게 해주며 폭발물은 군용 목적으로만 사용하는 것이 아니라 광산의 발파 작업등에도 쓰여 효율적인 일을 할 수 있도록 도와준다. 농약과 폭발물은 농업과 광업에 쓰이는 만큼 대량으로 쓰이고 있으며, carbaryl과 TNT는 그 대표적인 예로써, 매년 수천 톤 이상이 쓰이고 있다. Carbaryl과 TNT 모두 대량으로 사용하는 만큼 환경에 미치는 영향이 적지 않은데, 두 화학 물질 모두 물에 잘 녹지 않으며 실외에서 대량으로 사용한다는 특징으로 인해 토양에 농축되기 쉽다. 두 물질은 인체에 다른 영향을 미칠 수 있는데, carbaryl에 오랫동안 노출 될 경우 만성 기억력 감퇴, 근육 통증을 일으킬 수 있으며 심한 경우 치매를 유발하는 것으로 알려져 있다. TNT는 암 발생에 직접적 연관이 있는 것으로 보고 되었으며, 높은 농도의 TNT는 폭발을 일으킬 수 있기 때문에 사람에게 직접적인 피해를 입힐 수도 있다. 따라서 두 물질을 검출하기 위한 효과적인 방법이 필요하며, 이를 위한 연구들이 진행되어 왔다.
다량의 샘플이 발생하는 환경오염의 특성 상 저렴하고 신뢰 가능하며 사용이 간편한 센서에 대한 요구가 있어왔으며, pH 종이 또는 임신 테스트기 등으로 대표되는 ...

19세기 이후 화학기술의 급격한 발전으로 말미암아, 1900년대부터 대량생산이 가능해지게 되었으며 이는 인류에게 전에 없는 물질적 풍요를 안겨다 주었다. 그러나 화학물질은 동전의 양면과 같아서, 사용하기에 따라 위험한 물질이 될 수도 있고 특정 목적에 효과적인 물질이 될 수도 있다. 일례로 농약과 폭발물을 들 수 있는데, 농약과 폭발물 모두 사람에게 직접적 상해를 입힐 수 있는 물질이기도 하면서 현대 사회를 유지하는데 없어서는 안 될 중요한 물질이기도 하다. 농약은 병충해로부터 작물을 지켜 농업 생산량이 높아지게 해주며 폭발물은 군용 목적으로만 사용하는 것이 아니라 광산의 발파 작업등에도 쓰여 효율적인 일을 할 수 있도록 도와준다. 농약과 폭발물은 농업과 광업에 쓰이는 만큼 대량으로 쓰이고 있으며, carbaryl과 TNT는 그 대표적인 예로써, 매년 수천 톤 이상이 쓰이고 있다. Carbaryl과 TNT 모두 대량으로 사용하는 만큼 환경에 미치는 영향이 적지 않은데, 두 화학 물질 모두 물에 잘 녹지 않으며 실외에서 대량으로 사용한다는 특징으로 인해 토양에 농축되기 쉽다. 두 물질은 인체에 다른 영향을 미칠 수 있는데, carbaryl에 오랫동안 노출 될 경우 만성 기억력 감퇴, 근육 통증을 일으킬 수 있으며 심한 경우 치매를 유발하는 것으로 알려져 있다. TNT는 암 발생에 직접적 연관이 있는 것으로 보고 되었으며, 높은 농도의 TNT는 폭발을 일으킬 수 있기 때문에 사람에게 직접적인 피해를 입힐 수도 있다. 따라서 두 물질을 검출하기 위한 효과적인 방법이 필요하며, 이를 위한 연구들이 진행되어 왔다.
다량의 샘플이 발생하는 환경오염의 특성 상 저렴하고 신뢰 가능하며 사용이 간편한 센서에 대한 요구가 있어왔으며, pH 종이 또는 임신 테스트기 등으로 대표되는 비색 센서는 편의성 측면에서 가장 효율적인 센서이며 이를 이용한 다양한 시도들이 있어왔다. 따라서 본 논문에서는, 토양 오염 물질인 carbaryl과 TNT를 동시에 검출할 수 있는 비색 센서 제작을 4단계로 나누어 진행하였다.
첫번째로, carbaryl과의 반응을 통해 색상을 바뀌는 잉크인 FBDP를 합성하고 잉크를 산성 조건하에서 안정화 시키는 방법에 대해 연구하였다. 그리고 검출 속도를 빠르게 하기 위하여 염기 조건에서 carbaryl을 1-naphthol로 분해시켜 1분 이내에 검출이 가능함을 보였다. 액상에서의 검출 한계는 10ppm으로 노출 허용 한계인 15ppm에 비해 낮아 carbaryl 검출 용 잉크로써 사용 가능함을 확인하였다.
두번째로, 사용상의 편의를 위하여 합성 한 잉크를 종이 위에 인쇄하고 센서로 사용하는 방법에 대해 연구하였다. 다층 구조를 가지고 있는 사무용 인화지 위에 잉크젯 프린터를 이용하여 carbaryl 검출이 가능한 잉크를 인쇄하고, 인쇄 된 센서 위에 라미네이팅 필름을 이용하여 간단한 구조의 유체 채널을 만들어 항상 일정한 색상 변화를 얻을 수 있게 하였다. 염기 조건에서 미리 전처리 한 carbaryl을 인쇄된 센서에 노출시켜 용액상에서의 반응과 동일한 반응을 얻을 수 있음을 확인하였다.
세번째로, TNT 검출 용 잉크를 종이 위에 인쇄하여 TNT를 검출하고, 유사 화학종인 nitroaromatic들로부터 선택적으로 검출이 가능한지 확인하였다. 12개의 다른 농도로 인쇄 된 TNT 검출 용 잉크를 이용하여 TNT의 검출 한계를 21ppm부터 7,200ppm까지 확장하였다. 그리고 2,4-DNT와 같은 다른 유사 화학종으로부터도 다른 반응을 이끌어낼 수 있었다. 추가적으로 인쇄 된 센서가 1달 이상 동일한 성능을 보임을 확인하여 대량 생산 또한 가능함을 알 수 있었다.
끝으로, carbaryl과 TNT를 동시에 검출할 수 있는 비색 센서를 인화지 위에 인쇄하고 위에 라미네이팅 필름으로 미세 유체 채널을 만들어 carbaryl의 전처리 과정 또한 종이 위에서 구현하였다. 4개의 미세 유체 채널에는 각각 carbaryl 검출 용 잉크와 TNT 검출 용 잉크를 분리하여 인쇄하였고, 이를 통해 TNT와 carbaryl를 동시에 검출할 수 있음을 확인하였다. 또한, 용액상에서는 구분할 수 없었던 carbaryl과 그 분해 부산물인 1-naphthol을 분리하여 검출함에 따라 정확한 carbaryl의 농도를 검출할 수 있었다.
이 논문에서 활용 한 대부분의 기술들은 구하기 쉬운 사무용 물품을 기반으로 구현하였기에 누구나 사용 가능하다는 장점이 있으며, 이는 기술로부터 소외된 계층이나 지역에 사용되는 적정 기술로써 여러 다양한 목적으로 변형되어 사용 될 수 있을 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Explosives and pesticides are the most commonly used chemicals by humans since the development of chemical technology, and it consists of various types. Both explosives and pesticides are sprayed into the environment on a large scale for the purpose of use, and incidental damage is caused by the tox...

Explosives and pesticides are the most commonly used chemicals by humans since the development of chemical technology, and it consists of various types. Both explosives and pesticides are sprayed into the environment on a large scale for the purpose of use, and incidental damage is caused by the toxicity of the substance itself. Among various types of explosives, among TNT and pesticides, Carbaryl is a popular chemical substance that is used in thousands of tons each year and has the property of being concentrated in the soil due to the stability of its molecular structure. In order to prevent incidental damage due to the toxicity of TNT and Carbaryl concentrated in the soil, an effective detection method was needed, and various methods have been studied for this. Outstanding research results have been reported for the detection of TNT and Carbaryl, but there has been a demand for research on sensors that are inexpensive and reliable due to the properties of contaminated substances in a wide range.
In this dissertation, in order to detect TNT and Carbaryl easily and simply, an ink using a color change reaction at room temperature was synthesized. In addition, for simple use, a study on a method of making a sensor using inexpensive and easyto-obtain office supplies was studied and proceeded in the following order. First, a study was conducted to synthesize a stable ink capable of causing the Azo coupling reaction, a reaction capable of selectively detecting carbaryl, and to detect carbaryl in a short time through pretreatment. Second, the synthesized ink was stabilized in a form that could be used for office supplies, and using this, an easy-to-use paperbased sensor with 12 channels was produced. Third, we made a printable ink solution capable of causing the Janowsky reaction, which is widely known as a colorimetric reaction to detect TNT, and fabricated a simple paper-based sensor using it. Finally, it was possible to pre-treat on the surface of paper using a microfluidic channel, not pre-treatment in solution. In addition, by making a sensor capable of simultaneously detecting TNT and Carbaryl through this, it was confirmed that detection in soil is also possible.

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