전남 무안군 청계면 영산로1666 목포대학교
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국립목포대학교 플라즈마분광분석센터(센터장: 화학과 남상호 교수)는 2019년 교육부와 NFEC이 지원 하는 핵심연구지원센터로 선정되었다. 플라즈마분광분석법을 중심으로, 다양한 분광분석법의 동시 측정, 데이터 융합 및 기계학습 모델링을 통해 의료진단과 식품원산지판별 분야에서 해법 제시를 위한 연구를 수행하고 있다. 플라즈마분광분석센터는 유도결합 플라즈마 광방출분광법(ICP-OES), 유도결합 플라즈마 질량분석법(ICP-MS), 레이저 유도 플라즈마 분광법(LIBS)에 대한 오랜 경험과 전문성을 토대로 다양한 분광법의 데이터 융합 및 전략적 모델링, 화학종 분리 분석을 통한 정확한 독성 평가 기술을 개발하여 공공분야와 관련 산업 발전에 기여하는 것을 목표로 하고 있다.
플라즈마분광분석센터는 구체적으로 ① 플라즈마 원소 분석법과 라만 산란, 근적외선 흡수 등 분자구조를 알려 주는 분광법들의 데이터를 효과적으로 융합하여 정확도 높은 의료진단, 식품원산지판별을 위한 기계 학습 모델링 연구, ② 마이크로리터 수준의 극소량 생체액의 원소분석법 연구, ③ 비소, 셀레늄 등 독성이 화학종에 의존하는 원소들의 화학종 분리 정량 분석 연구, ④ 산업용 난용성 소재 분석을 위한 레이저 어블레이션 응용 연구를 수행하고 있다.
플라즈마분광분석센터는 분광분석화학과 데이터과학이 만나는 지점에서 의료진단, 식품원산지 판별을 위한 효과적인 방법을 연구하고, 식품 독성 평가, 산업현장의 문제 해결을 위한 고난도 화학분석기술 개발을 통해 건강한 삶의 추구와 산업 발전에 기여하고자 한다. 또한, 세라믹 소재와 2차전지 산업의 연구개발 지원, 화학분석 전문가 양성을 통해 지역산업 지원 및 인력양성을 목표로 하고 있다.
Project 1. 융합 분광분석 데이터 모델링 분광분석의 최신 연구 트렌드 가운데 하나는 동일 시료에 대해 두 가지 이상의 분광분석을 동시에 수행하여 얻은 데이터를 융합하여 광물의 종류·식품의 원산지를 판별하거나 의료진단을 위한 효과적인 모델을 개발하는 것이다. 플라즈마분광분석센터에서는 LIBS와 레이저 어블레이션 ICP-MS 분석을 동시에 수행하여 시료를 구성 하는 원소 조성을 넓은 농도범위에서 조사하고 있다. 펄스레이저를 고체 시료 표면에 집속하면 수십 마이크로 초의 수명을 갖는 플라즈마를 점화할 수 있는데, 이 플라즈마의 광방출 스펙트럼을 기록하여 LIBS 분석을 할 수 있고, 플라즈마 구성 입자들을 질량분석기로 보내면 질량 스펙트럼을 얻을 수 있다. LIBS 스펙트럼으로부터%-ppm, ICP-MS 스펙트럼으로부터 ppm-ppb 농도 범위의 원소 조성에 대한 정보를 함께 얻어 천일염 및 암염의 원산지 판별 모델을 성공적으로 개발하였다[그림 2]. 또한 라만 산란, 근적외선 흡수, 반사도 분광법은 물질의 분자구조와 화학결합에 대한 정보를 준다. 분자구조와 화학결합 정보는 원소 조성과 서로 상보적으로 물질의 종류 판별에 시너지를 효과를 줄 수 있다. 본 센터에서는 이와 같은 융합 분광분석 데이터 모델링 연구를 LIBS와 반사도 분광법을 이용한 천일염 원산지 판별[Spectrochim. Acta Part B, 2021, 179, 106088] 및 LIBS와 근적외선 흡수 분광법을 이용한 담낭암 진단[Analyst, 2022, 147, 3193; J. Anal. At. Spectrom. 2022, 37, 823], 국내·중국산 된장의 원산지 판별[Food Chem. 2023, 399, 133956] 등으로 확장해 나가고 있다.
Project 2. 극소량 생체액 시료 원소분석 연구
분광분석법은 의료진단 및 과학수사에 매우 강력한 도구로 사용되고 있다. 이때 주된 분석 대상이 되는 시료는 혈액과 같은 생체액인데, 많은 경우 그 양이 매우 제한적이다. 플라즈마분광분석센터에서는 10-20μL 부피의 극소량 생체액 시료에 레이저 어블레이션 기반 원소 분석 적용을 위한 효과적인 시료 준비 방법을 개발하여 적용 사례를 확장해 나가고 있다[그림 3]. 이 방법의 핵심은 표면이 반듯한 실리콘 웨이퍼 위에 액체 시료 방울을 원하는 영역에 얇은 막 형태로 펼쳐 건조시켜 잔류물이 균일하게 분포하도록 하는 것이다. 이렇게 하면 극소량 생체액에 대해서 레이저 어블레션을 통해 정밀한 반복 분석을 할 수 있게 된다. 이를 구현하기 위해서는 실리콘 웨이퍼의 표면 친수성을 극대화시켜 액체 시료 건조 시 발생하는 커피링 효과를 억제해야 한다. 실리콘 웨이퍼 위에 레이저 패터닝 기술을 이용하여 미세 고랑을 새기면, 미세 고랑과 액체 시료 사이에 모세관 힘이 작용하여 커피링 효과가 크게 줄어들고, 건조 후 잔류물은 상당한 균일성을 가지고 남게 된다[Spectrochim. Acta Part B, 2015, 113, 70]. 기판 위에 물방울을 떨어뜨려 접촉각을 관찰하면 미세 고랑에 의해 표면 친수성이 매우 증가 한 것을 확인할 수 있다. 본 센터에서는 이렇게 개발된 레이저 패터닝한 실리콘 웨이퍼(LPSW) 기판을 15μL 부피의 염 수용액, 소변, 담낭암 환자의 담즙 분석 등 의료진단 기술 개발에 적용하고 있다[Analyst, 2022, 147, 3193; J. Anal. At. Spectrom. 2022, 37, 823].
Project 3. 독성 원소 화학종 분리 정량 분석
비소와 같은 독성이 있는 것으로 알려진 원소의 경우 화학종에 따라서 독성의 세기가 크게 차이가 나므로 화학종을 분리하여 규명한 후 정량분석을 해야 정확한 독성 분석이 가능하다. 플라즈마분광분석센터에서는 비소, 셀레늄의 정량 분석을 화학종 선택적으로 수행하는 간단한 방법을 개발하여 적용 범위를 확장시켜 가고 있다[그림 4]. 비소, 셀레늄의 화학종은 각각 무기, 유기 화학종으로 구분되는데 이 가운데 무기 화학종의 독성이 큰 것 으로 알려져 있다. 과산화수소와 같은 산화제로 무기 화학종들을 산화수가 큰 종으로 산화시킨 후 이온교환막 필터로 선택적으로 농축하면 LIBS 또는 레이저 어블레이션 ICP-MS로 무기 화학종만 선택적으로 정량분석을 할 수 있다. 유기 화학종은 독성이 없거나 무기 화학종과 비교하면 거의 독성이 없어서, 이 방법을 이용하면 기존의 전체 화학종을 함께 분석하는 방법에 비해 보다 정확한 독성 평가를 할 수 있다. 본 센터에서는 해산물, 쌀 등 전남지역 특산물과 소변 등 생체액 시료에 포함된 비소 독성 분석에 화학종 선택적 분석법을 활용하는 연구를 수행하고 있다[Food Chem. 2019, 270, 353; J. Anal. Sci. Technol. 2022, 13, 45].
Project 4. 난용성 소재 레이저 어블레이션 적용 분석
고체 산화물을 전해질로 사용하는 연료전지(SOFC)는 연소에 기반한 전기에너지 생산기술에 비해 효율이 높고, 이산화 탄소, NOx, SOx를 배출하지 않아 환경적으로 매우 우수한 에너지 생산기술로 주목받고 있다. 또한 도심지역에 소규모 에너지 공급 시설로 설치하기 쉽고 다양한 형태의 연료를 사용할 수 있다는 장점이 있어 향후 SOFC 사용량은 크게 증가할 것으로 기대된다. 플라즈마분광분석센터에서는 연료전지에 사용되는 대표적인 고체 산화물인 사마륨, 가돌리늄 등이 불순물로 첨가된 세리아에서 불순물 농도를 효과적으로 분석하는 방법을 개발하였다. 세리아를 비롯한 란탄족 산화물들은 대표적인 난용성 세라믹 소재로 원소분석을 위해서 필수적으로 거쳐야 하는 산분해가 극히 어려워, 장시간의 복잡한 시료 전처리 과정을 거쳐도 정확한 결과를 얻기 어렵다. 본 센터에서는 레이저 어블레이션 샘플링 기법을 광방출 분광법 또는 질량분석법과 결합하여 시료 전처리 과정 없이 간편하게 분석하는 기술을 보유하고 있는데, 이 기술은 SOFC에 전해질로 사용되는 고체 산화물의 불순물 분석에 매우 효과적으로 사용될 수 있다[그림 5]. 사마륨, 가돌리늄이 도핑된 세리아에 레이저 어블레이션 샘플링을 이용한 광방출 분광법 적용 및 이동평균을 이용한 잡음제거와 부분최소제곱-회귀법을 이용한 불순물 원소 정량 분석 모델링을 수행하여 실시간 SOFC 고체 산화물 전해질의 불순물 분석을 구현하였다. 현재 레이저 어블레이션 샘플링 기반 원소분석법을 다양한 데이터 모델링 기법과 결합하여 개발하고 있다[Anal. Methods, 2022, 14, 597; Optik, 2021, 247, 167919; Optik, 2021, 240, 166909]. 본 분석법은 고체 산화물 전해질의 개발, 품질 검사, 리싸이클링에 매우 유용하게 사용될 수 있을 것이다.
국립목포대학교
플라즈마분광분석센터
“플라즈마분광분석센터”센터장 남상호 교수(국립목포대 화학과)는 유도결합플라즈마 원자질량분석법(ICP-MS) 전공으로 1995년 미국 조지 워싱턴 대학에서 이학박사 학위를 받았다. 남상호 교수의 세부 전공분야는 원소 이온 들의 분리 및 검출을 위한 이온크로마토그래피 분석법, 미량원소 분석을 위한 유도결합 플라즈마 원자 분광분석법 (ICP-AES), 극미량의 원소 분석을 위한 유도결합플라즈마 원자 질량분석법이다. 또한 이와 연관된 특수분야로 이 온크로마토그래피를 이용한 원소 화학종들의 분리분석법 개발과 직류 플라즈마 원자 방출분광기를 이용한 미량의 원소 분석, 극미량의 원소 분석을 위한 아르곤 유도결합 플라즈마 질량분석법 연구 및 개발, 질량분석법을 위한 이온화 장치로서 헬륨 유도결합 플라즈마의 개발, 플라즈마 진단학 등을 연구하였다. 1995년 금호연구소를 거쳐 1998년 3월부터 현재까지 국립목포대 화학과 교수로 부임하고 있으며 2003-2005년 동안 미국 FDA에 방문 연구원으로 재직한 경험이 있다. 2019년 5월에 본 센터를 설립하였고, 센터장을 맡은 후 최근 플라즈마 분광학에 기반한 29건의 논문을 발표하였다. 국립목포대 기획처장, 공동실험실습관장을 역임하였으며, 대한화학회 분석분과 회장, 한국연구재단 자연과학단 전문위원, 한국분석과학회 이사, 한국식품의약품안전청 전문위원 등 활발한 활동을 수행하였다. 또한 센터장으로 부임하면서 2019년 교육부 기초과학 연구역량 강화사업(Core-Facility 조성 지원 과제)에 선정되었고, 2020년에 기초과학 연구역량 강화사업(연구장비 구축 지원 과제)에 선정되는 성과를 거두었다. 현재 본 센터의 기반 구축 및 인프라 확충을 위해 힘쓰고 있다.
“플라즈마분광분석센터”의 부 센터장 이용훈 교수(국립목포대 화학과)는 물리화학 분야 레이저분광학 전공으로 KAIST에서 이학박사 학위를 받았다(2003.2). 이후, KAIST 자연과학연구소, 삼성전자 반도체총괄 메모리연구소, GIST 고등광기술연구소 연구원, 국립목포대 화학과 교수로 재직하면서 레이저 유도 플라즈마 분광학(LIBS)의 원리와 응용, 레이저 어블레이션을 이용한 질량분석, 이종(異種) 분광법의 데이터 융합 및 전략적 모델링으로 연구의 폭을 넓혀가고 있다. 현재 LIBS와 질량분석법/반사도 분광법/근적외선 흡수분광법의 데이터 융합에 기반한 기계학습을 통해 식품 원산지 판별 및 의료 진단의 정확도를 향상시키는 연구에 매진하고 있다. 또한 산업 현장에 적용하기 위한 다양한 플랫폼의 LIBS 기기 제작에도 관심을 가지고 있다. 원자력 산업에 사용하기 위한 원격 측정용 LIBS 기기를 제작하여 납품하였고, 소형 이동식 LIBS 기기를 만들어 전남 신안 증도의 염전에서 천일염 현장분석을 시연하였다.
2009년 9월부터 현재까지 국립목포대 화학과 교수로 재직하고 있다. 2015-2016년 방문 과학자로 미국 로렌스-버클리 국립연구소에서 연구를 수행하면서 레이저 플라즈마 내에서 금속 산화물 이원자 분자 생성 메커니즘을 규명하였다. 분자 및 원자 분광학, 분광 분석기술 개발 및 응용을 주제로 83편의 논문을 발표하였다. 국립목포대 과학영재교육원 원장(2019)을 역임하는 등 지역 과학인재 양성을 위해 노력하고 있으며, 아시아 레이저 유도 플라즈마 분광학회 커미티 멤버로 활동하고 있다. 2019년 5월 플라즈마분광분석센터가 교육부·NFEC의 핵심연구지원센터로 선정된 이후, 남상호 센터장을 도와서 연구 개발, 공동활용연구, 원소분석 교육 및 전문가 양성, 지역 산업체 분석 지원을 위해 노력하고 있다.
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