미지의 이온 찾기 - 형광 화학 센서

미지의 이온 찾기

- 형광 화학 센서

▲ 다양한 용액

우리는 주변에서 이온이 들어 있는 용액을 흔히 접할 수 있습니다. 갈증을 해소해 주는 이온 음료, 바닷물, 수돗물 등에는 여러 종류의 이온이 포함되어 있습니다. 미지의 용액에 들어 있는 이온이 무엇인지 알아보기 위한 방법은 어떤 것들이 있을까요? 앙금 생성 반응을 이용하는 것이 좋은 방법이 될 수 있습니다. 앙금이 생성되는지의 여부와, 어떤 색의 앙금이 만들어지는지를 확인하여 어떤 이온이 포함되어 있는지 추측해 볼 수 있습니다.

하지만, 앙금을 전혀 생성하지 않는 나트륨, 칼륨 이온 등은 어떻게 검출할 수 있을까요? 나트륨 이온(Na+)과 칼륨 이온(K+)은 불꽃 반응을 이용하여 찾을 수 있습니다. 금속 원소나 금속 원소를 포함한 화합물을 겉불꽃에 넣으면, 원소의 종류에 따라 특유의 불꽃색이 나타나게 되는데, 이를 불꽃 반응이라 합니다. 염화나트륨 수용액을 백금선에 묻힌 후, 겉불꽃에 가져다 대면 나트륨 특유의 불꽃색을 확인할 수 있습니다. 불꽃색이 같은 경우는 선 스펙트럼 분석을 통해 원소를 비교할 수도 있습니다.

최근에는 이러한 방법뿐만 아니라, 첨단 과학 기술을 이용하여 이온의 질량을 분석하거나, 이온이 방출하는 에너지를 통해 이온을 검출하는 방법도 있습니다. 그 중에서도 최근 형광 물질에 의한 이온 검출, 이른바 형광 화학 센서라고 불리는 방법의 연구가 활발하게 진행되고 있습니다. 이 형광 화학 센서는 마치 전투기에서 발사된 유도 미사일과 같습니다. 목표로 하는 이온과 결합하여, ‘여기에 이 이온이 있다’고 형광 신호를 통해 알립니다.

은 이온(Ag+)을 포함한 여러 가지 다양한 이온들로 구성된 수용액에 황 이온(S2-)을 첨가하면, 은 이온은 다른 이온들과는 잘 결합하지 않고 황 이온과 강하게 결합하여 황화은 (Ag2S)이라는 앙금을 생성할 것입니다. 형광 화학 센서도 마찬가지입니다. 목표로 하는 이온과만 잘 결합하는 물질을 센서로 이용합니다. 그리고 이 형광 화학 센서가 목표 이온에 결합하게 되면, 형광을 방출할 수 있는 구조로 바뀌게 됩니다. 목표 이온과 결합하기 전에는 형광 화학 센서가 형광을 방출할 수 없는 구조입니다.

여기서 말하는 형광은 특정 물질에 빛을 쬐어 주었을 때, 이 물질이 다시 빛을 내는 현상을 말합니다. 형광이 반사와는 다른 점이 있다면, 반사는 단순히 같은 빛이 그대로 되돌아가는 것에 비해 형광은 물질이 흡수한 빛과는 다른 빛을 방출하는 현상이라는 것입니다. 형광 화학 센서가 목표 이온에 결합했는지 확인하기 위해, 자외선과 같은 빛을 쬐어 줄 수 있습니다. 강력한 에너지를 가진 빛인 자외선은 우리 눈으로 볼 수는 없지만, 형광 화학 센서를 통과하면 센서가 자외선을 흡수한 뒤 우리 눈으로 확인 가능한 형광을 방출합니다. 방출되는 형광의 양이 많으면 많을수록, 우리가 알고자 한 목표 이온이 더 많이 존재한다는 의미가 될 것입니다. 즉, 형광을 분석함으로써 우리는 알아보고자 하는 목표 이온이 존재하는지, 그 농도는 얼마나 되는지를 파악할 수 있습니다.

이러한 형광 물질을 이용하면, 건강을 위협하는 중금속, 예를 들면 미나마타병을 일으키는 수은 이온(Hg2+)이 우리 몸에서 얼마나 존재하는지도 쉽게 알아볼 수 있습니다. 수은 이온과 선택적으로 결합하는 형광 물질을 이용하면, 인체 내의 어느 장기에 수은 이온이 얼마나 축적되어 있는지 쉽게 분석이 가능합니다. 이러한 형광 화학 센서는 분석 과정도 비교적 간편하고, 뛰어난 정확도를 갖습니다. 무엇보다 가장 큰 장점은 살아있는 생명체에서 직접 분석이 가능하다는 점입니다.

[자료출처: 에듀넷]