Considering that the environmental contamination issues can threaten human health, the develop-ment of the heavy metal ion detection even at trace level is of importance. Although various methods for heavy metal ion preconcentration and detection are reported to improve the preconcentrating efficiency and sensitivity, a trace level of heavy metal ions still have trouble to be analyzed accurately. Direct analysis of real sample is not efficient because of any remaining impurities that can disturb the precise detection, or the concentration of trace metal ions is too low that cannot be detectable by analysis instruments. The conven-tional technologies for trace metal ion preconcentration and detection were typically performed in a large-scale such as massive column-based preconcentration, bulky instrumental detectcion which leads to signifi-cant time-consuming and sample loss. Therefore, a simplified and miniaturized platform for trace metal ion preconcentration and detection is an important issue.
In Chapter 2, we demonstrated a novel trace metal pretreatment microdevice which can perform the preconcentration of trace metal ions and purification of a sample. The multilayered microdevice included a microchamber which was packed with cation exchange resins for preconcentrating metal ions. The sample loading and recovery was automatically actuated by a peristaltic PDMS micropump with a flow rate of 91.6 uL/min. Effect of the micropump actuation time, metal ion concentration, and pH on the metal ion capture efficiency on a chip was investigated. The Pb2+ ion samples whose concentration ranged from 0.48 nM to 1.2 uM were successfully recovered with preconcentration factor (PF) value between 4 and 5.
In Chapter 3, the preconcentrated metal ions were quantitatively analyzed with a DNA aptamer mod-ified photoluminescent GOQDs through electron transfer mediated fluorescence quenching phenomenon. The DNA aptamer on the GOQD specifically captured the target Pb2+ which can induce electron transfer from GOQD to Pb2+ upon UV irradiation, thereby resulting in the fluorescence (FL) quenching of the GOQDs. The disturbing effect of foreign anions on the Pb2+ detection, and the spiked Pb2+ real samples were also investi-gated. The proposed metal ion sensor based on the fluorescent GOQDs exhibits highly sensitive and selective Pb2+ detection with a detection limit of 2.5 nM and a dynamic range from 1 nM to 1000 nM.
The on-chip preconcentration of the trace metal ions from a large-volume sample followed by the metal ion detection by the fluorescent GOQD sensor was simple, rapid, and sensitive, and can provide an ad-vanced platform for on-site water pollution screening.
환경오염이 인류의 건강을 위협하는 심각성을 고려하면, 수중에 포함된 극미량의 중금속 이온 조차도 정확한 검출의 필요성이 대두되고 있다. 기존에 비해 농축 효율과 검출 감도를 향상시키기 위한 다양한 중금속 농축 및 검출 방법이 보고되고 있지만, 극미량의 중금속을 정확하게 분석하는 기술은 여전히 한계점이 존재한다. 실제 샘플의 전처리 없는 직접적인 분석은, 검출을 방해하는 불순물들의 존재 또는 샘플 내 중금속의 농도가 너무 낮다는 문제 때문에 정확한 분석이 어렵다. 전통적인 미량의 중금속 농축 및 검출 방법은 대량 스케일의 컬럼 기반의 농축 및 전문인력이 필요한 분석 장비에 의한 검출로서, 시간이 오래 걸리고, 샘플의 소모가 많다는 단점이 있다. 따라서, 미량의 중금속 이온의 농축, 그리고 검출을 위한 단순하고 소형화된 플랫폼을 구축하는 것은 중요하다.
2 장에서는, 미량의 중금속 이온을 농축하고, 불순물을 제거할 수 있는 새로운 중금속 전처리 마이크로 디바이스를 제작하였다. 다층 구조의 마이크로 디바이스는 양이온 교환 수지가 채워진 채임버가 구비되어있어, 중금속 이온을 농축시킬 수 있었다. 샘플의 유량은 91.6 μL/min 로서, 주입과 회수는 PDMS와 연동된 마이크로 펌프로 자동적으로 조절할 수 있었다. 또한, 마이크로 펌프의 작동 조건과 샘플의 농도 및 pH에 따른 디바이스 내에서의 중금속 이온 포획 효율을 분석하였다. 0.48 nM에서 1.2 μM까지의 샘플의 농도에 따른 회수율을 분석하였고, 농축인자 값은 4에서 5사이의 값을 나타내었다.
3장에서는 DNA 압타머가 결합된 형광 그래핀 산화 양자점의 전자 전이에 의한 형광억제 현상을 통해 농축된 납 이온의 농도를 정량적으로 분석할 수 있었다. 납 이온만을 선택적으로 포획할 수 있는 DNA 압타머가 그래핀 산화 양자점 표면에 고정되어, UV 조사 하에, 그래핀 산화 양자점으로부터 납 이온으로의 전자 전이를 유발하였고, 이는 결과적으로 그래핀 산화 양자점의 형광 신호를 억제함을 알 수 있었다. 또한, 샘플에 존재하는 음이온들이 그래핀 산화 양자점의 형광 검출에 미치는 영향과, 실제 샘플의 납 센서로서의 성능도 분석하였다. 본 연구에서 제안한 형광 그래핀 산화점 기반의 납 이온 검출 센서는, 1 nM에서 1000 nM사이의 동적 범위 내에서 2.5 nM의 검출한계값을 갖는 성능을 나타내었다.
본 연구에서 제시하는 마이크로 칩을 이용한 미량의 중금속 농축 및 형광 그래핀 산화 양자점에 의한 납 검출 센서는 높은 감도와 구동의 용이함, 빠른 분석이 가능하다는 장점을 이용하여 향후 현장 수질 오염 진단에 향상된 플랫폼을 제시할 수 있으리라 기대된다.
