작고 더 신속한 미세플라스틱 측정 기술
국내 IP 문철환
서론
미세플라스틱의 분석에 제안된 다양한 방법들(vibrational spectroscopy, densitometry,
differential scanning calorimetry, gas chromatography-mass spectrometry,
hyperspectral imaging) 중 Raman spectrometry(라만분광법)은 작은 입자의 분석이 가능하
기 때문에 최근 주목을 받고 있다. Raman 분광법은 시료를 원형 그대로 측정할 수 있는 비파
괴적인 분석 방법이며, 적은 양의 시료로도 분석이 가능하고, 초고속으로 미세플라스틱을 선별
할 수 있으며, 화학약품을 사용하지 않게 때문에 환경 친화적인 방법이다.
미세플라스틱의 분석에서 Raman 분광법과 함께 많이 사용되고 있는 방법인 FT-IR(fourier
transform infrared spectroscopy)은 10~20㎛ 크기의 입자까지만 분석이 가능한 반면,
Raman 분광법은 1㎛ 크기 입자까지 분석이 가능하고 최근에는 더 작은 크기의 입자 분석도
가능한 것으로 보고되고 있다. 그러나 Raman 분광법은 형광물질에 의한 방해 작용과 약한 신
호 강도, 레이저 사용으로 인한 폴리머 분해 현상이 발생할 수 있는 단점도 있다. 그럼에도 불
구하고 2018년 5월을 기준으로 공학학술지에 게재된 미세플라스틱 관련 71건의 논문 중 86%
가 Raman 분광법을 채택하고 있다. 본 분석에서는 Raman 분광법을 이용하여 더 작은 미세플
라스틱을 더 신속하게 측정할 수 있는 방법에 대한 연구 동향을 소개하고자 한다.
더 작은 입자 분석의 중요성
플라스틱이 환경으로 배출되면 광분해, 열분해, 생물학적 분해를 거치기 때문에 더 작은 크기의
미세플라스틱이 점차 증가한다. 따라서 작은 크기의 미세플라스틱이 얼마나 존재하는지가 미세
플라스틱에 의한 오염을 평가하는데 중요한 지표가 된다.
기존의 연구들은 크기가 300㎛인 그물(예, manta trawl 등)을 이용하여 해양의 미세플라스틱
시료를 채취하였기 때문에 크기가 작은 미세플라스틱은 그동안 무시되어 왔다. 그러나 2015년 보고된 연구(Enders et al., 2015)에 따르면, 대서양에서 채취된 미세플라스틱을 마이크로
Raman 분광법(μ-Raman)을 이용하여 분석한 결과, 입자개수를 기준으로 전체의 64%가 40
㎛ 미만이었으며, 크기가 100㎛ 미만으로 갈수록 비율이 급격하게 증가하는 것으로 나타났다.
또한 담수에서 크기가 400㎛ 이하인 시료를 채취하여 μ-Raman으로 분석한 결과, 40㎛ 미만
이 전체의 50% 를 차지하였고, 생선 조직과 정제 소금, 병입수에서 검출된 미세플라스틱 중
5~20㎛ 크기가 전체의 80%를 차지하는 것으로 조사되었다. 이러한 미세플라스틱의 분포 특성
으로 인해 더 작은 크기의 분석이 필요하게 되었다.
미세플라스틱의 분석에 가장 많이 이용되고 있는 FT-IR과 Raman 분광법을 이용하여 작입 크
기의 입자 분석 성능을 직접 비교한 결과, 20㎛ 이상의 미세플라스틱 검출에서는 동등한 성능
을 보였으나 그 이하 크기에서는 Raman 분광법이 더 우수했다. 특히 Raman 분광법은 5㎛ 크
기의 미세플라스틱 입자도 검출한 반면, FT-IR은 5~10㎛ 크기는 검출하지 못하였고, 11~20
㎛ 크기 입자의 검출률은 40%로 낮게 나타났다.
Raman 분광법은 분석에 많은 시간이 소요되고 시료에 형광물질이 존재하면 분석시 오차가 발
생하는 단점이 있다. 이러한 단점을 극복하기 위해 다양한 연구들이 진행되었으며, 최근 신호의
질을 최적화하고 측정 과정을 자동화하여 보다 빠르고 신뢰성 있는 μ-Raman 분석이 가능해
졌다. 다음에서 더 작은 입자를 더 신속하게 측정하기 위해 이루어진 연구들에 대해 자세히 살
펴보고자 한다.
Raman 신호의 질 향상을 위한 노력들
Raman 분광법은 주사된 중성자의 약 10-8 정도만이 신호로 되돌아오기 때문에 기본적으로 신
호가 약하므로 신호대 잡음비(signal to noise ratio)를 향상시키고자 하는 연구들이 다수 진행
되었다. 되돌아오는 중성자의 비율이 낮은 원인은 형광물질의 방해 또는 미세플라스틱에 존재
하는 형광물질과 착색제, 미생물에서 기인한 단백질, 불순물 때문이다. 신호가 약하므로 양질의
신호를 얻기 위해서는 긴 시간동안 신호를 수신해야 하고(긴 integration time) 이로인해 측정
시간이 오래 걸리는 단점이 있다.
이러한 단점을 극복할 수 있는 가장 간편한 방법은 산, 알칼리, 산화제, 효소와 같은 다양한 약
품을 이용하여 시료를 세척하여 플라스틱 입자에 존재하는 형광물질을 제거하는 것이다. 국제
해양조사위원회에서 권고한 질산을 이용한 방법은 미세플라스틱의 폴리머를 분해하기 때문에 정확도가 떨어지므로 10% KOH 또는 30% KOH와 NaOCl을 혼합하여 사용하는 방법이 제안
되었다. 또한 형물물질에 의한 신호를 자동으로 제거하는 알고리즘을 적용하면 오염된 시료에
서도 완벽한 플라스틱 신호를 얻을 수 있다고 보고되었다. 신호대 잡음비를 향상시킬 수 있는
또다른 방법으로 디지털 카메라에 이용되고 있는 CCD(charged coupled device) 검출기 또는
보다 향상된 EM-CCD(electron-multiplying CCD) 검출기를 이용하면 Raman 신호를 증폭
시키는 기술이 연구되었다.
라만 맵핑(mapping)을 통한 신속한 분석을 위한 노력들
그동안 미세플라스틱의 정량에는 현미경 방법이 주로 이용되어 왔으며, 이 방법은 색깔이 들어
간 입자를 플라스틱으로 인식(false positive)하고, 검은색 입자를 플라스틱이 아닌 자연물질
(점토 등)로 인식(false negative)하는 등의 문제가 있었으며, 100㎛ 이상의 입자만 분석이 가
능하다. 보다 정확한 미세플라스틱의 확인을 위해 현미경을 이용하여 1차 분류한 후 FT-IR이
나 Raman 분석을 실시하면 false positive는 확실하게 근절시킬 수 있지만 false negative 문
제는 여전히 존재한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 제안된 방법이 하나하나의 입자를 스캔하
여 맵핑하는 것으로, 이 경우 Raman 분광법으로 1㎟ 면적의 필터를 맵핑하는데 38시간이 소
요된다. 시간을 단축하기 위해 입자 하나의 스캔시간을 10초에서 0.5초로 줄이고 이미지화 도
구를 이용하면 동일한 필터의 맵핑 시간을 90분으로 단축할 수 있다. 플라스틱 입자가 있는 위
치를 사전에 파악하면 분석 시간을 더욱 단축시킬 수 있다. 즉, 전체 필터를 빠르게 사전 스캔
하여 입자의 위치를 파악한 후 플라스틱으로 의심되는 임자가 존재하는 위치만 고해상도 스캔
을 하면 1㎟의 면적을 맵핑하는데 소요되는 시간을 38시간에서 15시간으로 감소시킬 수 있다.
이미지 분석 소프트웨어를 이용한 방법을 적용하면 미세플라스틱 분석 시간을 더 단축할 수 있
다. 이미지 분석 소프트웨어로 입자와 필터의 음영을 최대화하여 입자가 위치한 곳을 맵핑한
후 해당 위치만 Raman으로 분석하는 것이다. 이 방법을 이용하면 1㎟의 면적에 존재하는 5㎛
이상의 미세플라스틱 입자를 라이브러리에서 검색하여 화학적 분석까지 완료하는데 소요되는
시간은 불과 56분이다. 입자크기를 300㎛ 이상으로 하고, 화학적 분석을 하지 않으면 1㎟당
20초의 속도로 맵핑이 가능하다. 현재는 더 작은 입자를 분석할 수 있는 소프트웨어를 개발하
고 있는 것으로 알려져 있다.
보다 혁신적인 방법으로는 형광염료를 이용하여 미세플라스틱을 검출하는 방법이 제안되었다.
Nile red라는 발색 형광염료는 합성 폴리머만 선택적으로 염색을 시키며, 이것을 UV광을 이용
하여 검출한다. 형광염료를 이용할 경우 형광물질 자체가 Raman 분석의 방해물질로 작용하므
로 시료를 nile read로 염색하기 전에 5분간 photo-bleaching 하면 이러한 방해 작용을 최소
화 할 수 있다. 염색된 형광물질을 검출한 결과, 분석해야 할 면적이 전체의 10% 미만인 것으
로 나타났다. 만약 소수성의 미생물 분비물이 함께 염색된 경우에는 photo-bleaching과 함께
UV 광원으로 녹색을 이용하면 미생물 분비물에 의한 방해 작용을 제거할 수 있다.
이 방법은 우선 photo-bleaching을 하지 않고 측정하여 1차 분류를 하고, 이때 분류되지 않은
입자들을 photo-bleaching 하여 재분석을 실시하는 것으로 분석 시간을 크게 줄일 수 있다. 1
㎟의 면적에 존재하는 미세플라스틱을 1차 분류와 재분석까지 2분 내에 측정할 수 있으며, 재
분석을 하지 않으면 40초에도 측정이 가능한 것으로 보고되었다.
표준 라이브러리를 이용한 신속한 성분 분석
Raman 분석 결과는 스펙트럼으로 표현된다. 이 스펙트럼을 표준물질의 스펙트럼과 비교하여
해당 물질이 어떤 종류의 화학적 성분인지 확인(identification)하기 위해서는 다양한 스펙트럼
라이브러리가 필요하다. 일반적으로 표준물질에 대한 Raman 스펙트럼은 제조사나 Raman 분
석 장비 제조사, 또는 미세플라스틱을 연구하는 기관에서 보유하고 있으므로 어렵지 않게 공유
가능하다. 그러나 미세플라스틱은 환경에서 다양한 풍화과정을 거치기 때문에 원래의 폴리머
성분과는 상당한 차이를 보이기도 하므로 표준물질의 스펙트럼 만으로 모든 물질을 확인하는
것은 어려울 수 있다. 결과적으로 성공적인 라이브러리 매칭을 위해서는 다양한 조건에서 측정
된 미세플라스틱에 대한 광범위한 스펙트럼 라이브러리가 필요하다. 현재까지 가장 많은 미세
플라스틱 스펙트럼 정보를 공개하는 것은 유럽의 분자생물연구소이다.
Raman 스펙트럼을 바코드 형태로 전환시켜 라이브러리와 비교하면 빠른 매칭이 가능하다. 당
초 이 방법은 위조약을 신속하게 분석하는데 사용되던 방법이며, 스펙트럼의 강도는 무시할 수
있다는 장점도 있다.
더 신속하고 간편하게 측정할 수 있는 기술
기존의 Raman 분광법은 입자를 각각 측정한 후 수집하여 Raman 이미지를 만든다. 그러나 신
속한 분석을 위해서는 연속적으로 측정해야 한다. 이를 위해 개발된 연속 Raman 이미징은
(wide field Raman라고도 함)은 레이저를 흐리게 한 번 측정하여 입자가 존재하는 부분, 즉 고해상도 측정이 필요한 부분을 부각시킨 후 해당 부분을 연속으로 측정하는 방법이다. 그러나
아직까지 미세플라스틱의 측정에는 적용되지 않았다.
흐르는 입자를 실시간으로 분석할 수 있는 방법도 미세플라스틱의 측정에 적용이 가능하다. 이
방법은 Coherent anti-stokes Raman scattering(CARS)과 stimulated Raman
scattering(SRS)과 같은 비선형 Raman 기법에 의해 수집된 향상된 신호를 통해 실시간으로
미세플라스틱을 측정할 수 있게 한다. CARS와 SRS에서 강화된 신호는 오직 관심대상 물질의
분자진동모드로부터 얻어낼 수 있으며 심지어 시료가 형광을 나타내는 물질로 오염되어 있는
경우에도 분석이 가능하므로 전처리가 필요없어 실시간 분석이 가능하다. 최근의 연구에서는
80㎚ 정도로 작은 크기의 아크릴 폴리머 나노플라스틱을 검출한 바 있어 이를 이용하면 향후
더 작은 크기의 미세플라스틱 분석도 가능할 것으로 사료된다.
또한 SRS를 이용하면 빠른 분석이 가능하다. SRS 현미경을 이용하여 가장 많이 이용되고 있
는 플라스틱 5개 종류를 wave number를 통해 검출하여 구분하고, 이를 현미경 사진과 폴리머
조성별로 색을 달리하여 맵핑하면 미세플라스틱의 확인이 가능하다. 이 방법으로 1㎟을 여과지
필터를 분석하는데 총 2.7분이 소요되었으며, 이러한 빠른 측정은 입자를 선별하지 않고
Raman 분광기를 이용하여 필터 전체를 스캔하는 것을 감안하면 매우 놀라운 속도이다. SRS와
사전 선별을 통해 데이터 수집 지점을 크게 줄인다면 수 초 ~ 수 분의 범위에서 분석이 가능
할 것으로 사료된다.
유동세포계수법(flow cytometry)과 결합된 SRS(FC-SRS)의 미세플라스틱 분석 능력에 대한
검증도 수행되었다. FC-SRS에 맞춤형 신호 증폭기를 장착하여 10㎛ 크기의 PMMA와 PS 미
세플라스틱을 수중에 부유시킨 후 400㎜/s의 속도로 흘려보냈을 때, FC-SRS는 5㎲ 마다 신
호를 수집하여 초당 최대 11,000개의 입자를 분석하였다. 이러한 분석 방법을 이용하여 휴대
용 SRS 현미경을 제작하면 현장에서 생체 내에 존재하는 미세플라스틱의 화학적 조성을 분석
할 수 있고, 이 경우 3초 이내에 5㎛ 크기의 폭발물을 무기입자들과 구분할 수 있으며, 벽돌
표면에 분산되어 있는 20㎛ 크기의 sulfur micro-particle을 검출하는데 성공적으로 적용되었
다.
Standoff CARS는 여러 종류의 화학물질 존재하는 복합체에서 미량으로 존재하는 폭발물을 검
출하는데 이용되고 있는 방법이다. 이 방법으로 1m 거리에서 측정된 Raman 이미지로 PMMA
와 PS, DNT(폭발물의 일종)가 존재하는 지역을 정확하게 구분할 수 있음
Standoff Raman 분광기를 배에 장착하여 해양에 존재하는 미세플라스틱을 관찰하거나 드론이
나 헬리곱터에 장착하여 지표면 모니터링에도 이용 가능하다. 현재 군사용으로 이용되고 있는
LIDAR 기술은 비행기에 장착하여 적 진영에 존재하는 폭발물을 탐색할 수 있으며, 이를 이용
하면 원거리에서도 미세플라스틱의 모니터링이 가능할 것으로 사료된다.
참고문헌
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