Development of Rhodamine-Based Fiber Optic Sensor for Detection of Mercury in Aqueous Environments

A Rhodamine-based fiber-optic sensor has been developed to detect mercury ions in aqueous environments. The fiber-optic sensorwas composed of a mercury-sensing thin film, plastic optical fibers, and a spectrometer. The mercury-sensing thin film with the syn-thesized Rhodamine derivatives was fabricated with Sol-Gel process. A light emitted by a light source is guided by plastic optical fibersinto the thin film in an aqueous solution and a reflected light is analyzed with the spectrometer. The experiment exhibits that an absor-bance in the thin film is increased as mercury concentration is increased in the solution and the absorbance by mercury is higher thanthat by other heavy metals. The fiber-optic sensor exhibits high chromogenic phenomenon of mercury ions among various heavy metalsand the correlation between absorbance and mercury concentration in the aqueous environments.Keywords: Rhodamine derivative, Sol-Gel process, Absorbance, Mercury, Fiber-optic sensor 1. 서론 최근 화학센서의 소형화 및 기능화를 갖춘 센서에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 이에 따라 분석물의 감지 능력에대한 선택적 상호인식작용을 이용하여 광 신호로 분석되는 광화학적 센서가 각광받고 있다[1]. 광화학 센서의 개발은 다양한전공분야에서 활용되어지고 있다. 중금속에 의한 환경오염 문제가 심각해지면서 금속 이온을 검출하기 위한 광화학센서 개발연구도 여러 차례 진행되고 있다[2].수은은 인체에 유해한 중금속으로, 체내에 유입될 경우 인간의 뇌, 중추신경, 신장, 간 등에 치명적이며, 운동장애와 언어장애 및 마비 증세를 일으킨다[3]. 수은에 의한 위해를 사전에 예방하기 위하여, 수중에 용해된 수은의 실시간 감지가 매우 중요시되고 있다.수은 이온의 검출을 위하여 전압 전류법[4], 원자 흡수 분광법[5]과 같은 여러 가지 기술이 개발되었지만, 측정을 위한 전처리 과정이 복잡하고 정교한 분석 기술이 요구되기 때문에, 현장에서 실시간으로 감시가 불가능하다는 단점을 가진다. 반면에수은 감지 물질의 광학적 특성을 이용하는 광섬유 센서는 현장에서 실시간 검출이 가능하고, 조작이 간단하며, 감도가 높다.또한 감지물질의 반응속도가 빠르기 때문에 순간 측정이 가능하며, 공간에 구애 받지 않는 이점으로 인해 실질적 측면에서매우 유용한 것으로 알려져 있다[6].수은을검출하기 위해 사용되는 여러 물질 중로다민 (Rhodamine)유도체는 Noelting과 Dziewonsky에 의해 1905년 처음 연구되었다[7]. 로다민 유도체는 높은 광 감응적 특성을 가지고 있어다양한 이온들을 검출하는데 많이 사용되고 있다. 로다민 유도체의 고분자를 이용한 금속 감지 센서는 분석하고자 하는 금속 이온과 결합하게 되면 Spirolactam 구조의 개환(ring-opening)에 의해 무색에서 분홍색으로 색의 변화와 강한 형광을 나타낸다[8].로다민 유도체는 형광특성을 이용하여 생물학적 측면[9] 및 수중의 여러 중금속[10,11]을 검출하기 위한 형광 화학센서 분야와, 흡수 스펙트럼을 측정하여 분석 이온의 농도를 정량하기 위한 광화학 센서[12] 분야에서 연구되고 있다. 본 연구에서는 로다민 유도체를 이용하여 수중환경의 수은 검출을 위한 광섬유 센서를 제작하고, 수은의 농도에 따른 흡광강도 변화를 측정분석하여 센서의 성능을 평가하였다.