사람이 내쉬는 호흡에는 다양한 휘발성 유기화합물(VOC)이 포함되어 있으며, 질병에 걸렸을 경우 특정 가스의 농도가 증가한다고 보고되고 있다. 이를 활용하여 최근 수년간 사람의 호흡 가스 분석을 통한 비침습형 질병 진단 연구가 활발하게 진행되고 있으며, 특히 아세톤은 인체 내의 신진대사와 관련이 있어 건강한 사람의 경우 1ppm 미만의 농도가 배출되지만 당뇨병 환자인 경우 정상인의 2배에 이르는 것으로 알려져 있어 당뇨병 진단을 위한 중요한 바이오 마커로서 주목되고 있다. 기존에 보고되는 아세톤 센서의 경우, 금속산화물(...
사람이 내쉬는 호흡에는 다양한 휘발성 유기화합물(VOC)이 포함되어 있으며, 질병에 걸렸을 경우 특정 가스의 농도가 증가한다고 보고되고 있다. 이를 활용하여 최근 수년간 사람의 호흡 가스 분석을 통한 비침습형 질병 진단 연구가 활발하게 진행되고 있으며, 특히 아세톤은 인체 내의 신진대사와 관련이 있어 건강한 사람의 경우 1ppm 미만의 농도가 배출되지만 당뇨병 환자인 경우 정상인의 2배에 이르는 것으로 알려져 있어 당뇨병 진단을 위한 중요한 바이오 마커로서 주목되고 있다. 기존에 보고되는 아세톤 센서의 경우, 금속산화물(SMO)기반의 센서들이 높은 민감도와 빠른 반응속도를 가지고 있어 주목받고 있지만, 200℃ 이상의 높은 구동 온도와 낮은 선택성으로 인해 응용성에 대해서는 아직 해결해야할 숙제가 남아 있다. 또한, 공역계 탄소구조물을 이용하는 센서들은 낮은 민감도와 습도 환경에서 검출이 불가능하다는 단점을 가지고 있다. 특히, 호흡가스 내에는 여러 가스들과 함께 습기가 포함되어 있어 고습도 조건에서 높은 민감도와 가스선택성, 습도에 대한 안정성 문제는 매우 중요한 이슈이며 해결해야 선결문제로 대두되고 있다.
이에 본 연구에서는 단일 벽 탄소나노튜브(SWCNT)와 내습성이 부여된 불소계 도펀트를 사용한 폴리피롤의 복합체를 고분자분산제를 사용하여 유화 중합을 통해 새로운 구조의 센싱 물질로 “SWCNT@C8F-doped-PPy@PLA nanorod”를 합성하였다. 합성된 센싱 물질은 실온 구동, ppb 레벨의 높은 민감도 및 습도 안정성을 보였으며, 기존에 연구된 센서가 가지는 여러 개의 문제점들을 해결하였다. 첫 번째, 아세톤 가스에서 선택적으로 반응하는 기능기를 사용하여 폴리피롤의 구조가 민감도에 미치는 영향에 대해 연구하였고, 상온에서 최저 50ppb의 아세톤 가스 감지를 확인하였다. 하지만 기능기로 사용된 물질은 친수성 성질을 갖는 OH를 가지고 있어 습도에 취약한 단점이 존재하였다. 따라서 두 번째로는 전도성 고분자인 폴리피롤의 도펀트를 소수성의 특성을 가지는 불소계인 헥사데카플로로옥탄셀폰산 (Heptadecafluorooctanesulfonic acid, C8F)으로 사용하여 상대습도 80%의 고습 환경에서도 저항 변화량과 민감도의 안정성을 구현하도록 하였다. C8F가 적용된 폴리피롤은 민감도에는 큰 변화없이 습도에 대한 안정성이 2배이상 개선되었음을 확인하였다. 셋째, 유화 중합의 유화제로 소수성의 기능을 갖는 하이드록시프로필메틸셀루로즈 ((Hydroxypropyl)methyl cellulose, HPMC)를 사용했으며 이로부터 기존의 수용성 유화제를 사용한 폴리피롤 보다 2배 이상 높은 습도 안정성과 민감도가 30% 이상 증가하였음을 확인하였다.
최종적으로 본 연구에서 설계한 폴리피롤 나노 복합체는 아세톤 가스의 선택적 반응성을 위해 사용한 페닐락틱산 (Phenyllactic acid) 과 HPMC의 구조적 특성으로 인해 아세톤 가스에 대해서 높은 선택성과 함께 상온에서 최저 50ppb의 가스를 감지할 수 있었으며, 소수성 기능의 불소계 도펀트인 C8F와 HPMC을 통해 높은 습도 안정성을 부여하여 고습환경에서도 최소 1ppm의 아세톤 가스를 안정적으로 검출할 수 있었다. 본 연구에서는 기존의 센싱 물질들이 갖고 있는 높은 구동 온도, 습도에 대한 불 안정성, 그리고 ppb수준의 민감도 및 특정 가스에 대한 선택성 등의 문제를 해결할 수 있었으며, 이러한 결과는 다양한 VOC 가스와 많은 습기를 포함하고 있는 호흡가스에서 특정의 아세톤을 선택적으로 감지하는 가스 센서로서 새로운 가능성 제시하고 인간의 호흡가스로부터 당뇨병을 감지할 수 있는 질병 진단 센서로서 응용 가능성을 제고할 수 있다
사람이 내쉬는 호흡에는 다양한 휘발성 유기화합물(VOC)이 포함되어 있으며, 질병에 걸렸을 경우 특정 가스의 농도가 증가한다고 보고되고 있다. 이를 활용하여 최근 수년간 사람의 호흡 가스 분석을 통한 비침습형 질병 진단 연구가 활발하게 진행되고 있으며, 특히 아세톤은 인체 내의 신진대사와 관련이 있어 건강한 사람의 경우 1ppm 미만의 농도가 배출되지만 당뇨병 환자인 경우 정상인의 2배에 이르는 것으로 알려져 있어 당뇨병 진단을 위한 중요한 바이오 마커로서 주목되고 있다. 기존에 보고되는 아세톤 센서의 경우, 금속산화물(SMO)기반의 센서들이 높은 민감도와 빠른 반응속도를 가지고 있어 주목받고 있지만, 200℃ 이상의 높은 구동 온도와 낮은 선택성으로 인해 응용성에 대해서는 아직 해결해야할 숙제가 남아 있다. 또한, 공역계 탄소구조물을 이용하는 센서들은 낮은 민감도와 습도 환경에서 검출이 불가능하다는 단점을 가지고 있다. 특히, 호흡가스 내에는 여러 가스들과 함께 습기가 포함되어 있어 고습도 조건에서 높은 민감도와 가스선택성, 습도에 대한 안정성 문제는 매우 중요한 이슈이며 해결해야 선결문제로 대두되고 있다.
이에 본 연구에서는 단일 벽 탄소나노튜브(SWCNT)와 내습성이 부여된 불소계 도펀트를 사용한 폴리피롤의 복합체를 고분자 분산제를 사용하여 유화 중합을 통해 새로운 구조의 센싱 물질로 “SWCNT@C8F-doped-PPy@PLA nanorod”를 합성하였다. 합성된 센싱 물질은 실온 구동, ppb 레벨의 높은 민감도 및 습도 안정성을 보였으며, 기존에 연구된 센서가 가지는 여러 개의 문제점들을 해결하였다. 첫 번째, 아세톤 가스에서 선택적으로 반응하는 기능기를 사용하여 폴리피롤의 구조가 민감도에 미치는 영향에 대해 연구하였고, 상온에서 최저 50ppb의 아세톤 가스 감지를 확인하였다. 하지만 기능기로 사용된 물질은 친수성 성질을 갖는 OH를 가지고 있어 습도에 취약한 단점이 존재하였다. 따라서 두 번째로는 전도성 고분자인 폴리피롤의 도펀트를 소수성의 특성을 가지는 불소계인 헥사데카플로로옥탄셀폰산 (Heptadecafluorooctanesulfonic acid, C8F)으로 사용하여 상대습도 80%의 고습 환경에서도 저항 변화량과 민감도의 안정성을 구현하도록 하였다. C8F가 적용된 폴리피롤은 민감도에는 큰 변화없이 습도에 대한 안정성이 2배이상 개선되었음을 확인하였다. 셋째, 유화 중합의 유화제로 소수성의 기능을 갖는 하이드록시프로필메틸셀루로즈 ((Hydroxypropyl)methyl cellulose, HPMC)를 사용했으며 이로부터 기존의 수용성 유화제를 사용한 폴리피롤 보다 2배 이상 높은 습도 안정성과 민감도가 30% 이상 증가하였음을 확인하였다.
최종적으로 본 연구에서 설계한 폴리피롤 나노 복합체는 아세톤 가스의 선택적 반응성을 위해 사용한 페닐락틱산 (Phenyllactic acid) 과 HPMC의 구조적 특성으로 인해 아세톤 가스에 대해서 높은 선택성과 함께 상온에서 최저 50ppb의 가스를 감지할 수 있었으며, 소수성 기능의 불소계 도펀트인 C8F와 HPMC을 통해 높은 습도 안정성을 부여하여 고습환경에서도 최소 1ppm의 아세톤 가스를 안정적으로 검출할 수 있었다. 본 연구에서는 기존의 센싱 물질들이 갖고 있는 높은 구동 온도, 습도에 대한 불 안정성, 그리고 ppb수준의 민감도 및 특정 가스에 대한 선택성 등의 문제를 해결할 수 있었으며, 이러한 결과는 다양한 VOC 가스와 많은 습기를 포함하고 있는 호흡가스에서 특정의 아세톤을 선택적으로 감지하는 가스 센서로서 새로운 가능성 제시하고 인간의 호흡가스로부터 당뇨병을 감지할 수 있는 질병 진단 센서로서 응용 가능성을 제고할 수 있다
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