KAIST 생명화학공학과 김신현 교수 연구팀과 재료연구소 김동호 박사 공동 연구팀이 생체 시료에 들어있는 미량의 분자를 직접 검출할 수 있는 센서를 개발했습니다.
연구팀은 개발한 센서를 통해 다양한 종류의 살충제 성분을 검출하는데 성공했습니다. 특히 국내 및 유럽에서 문제가 됐던 달걀 속 살충제 성분인 피프로닐 술폰을 시료 전처리 없이 검출할 수 있음을 증명했습니다.
연구팀의 센서는 전하를 띠는 하이드로젤 미세입자 내부에 금 나노입자 응집체를 캡슐화한 형태입니다. 생체 시료 내에 존재하는 분자를 직접 분석해야하는 광범위한 분야에 적용 가능할 것으로 기대됩니다. 하이드로젤은 친수성 고분자가 가교된 그물망 구조로 물에 의해 팽윤된 상태를 말합니다.
분자가 레이저에 노출되면 '분자 지문'이라고 불리는 고유의 라만 신호를 보입니다. 하지만 일반적으로 라만 신호의 세기는 매우 낮아 실질적인 분자 감지에 사용이 어렵다고 합니다. 연구팀은 금속 나노 구조의 표면에서 발생하는 표면 플라즈몬 공명 현상이 강한 세기의 기장을 형성하는 점을 이용해 라만 신호를 현저히 증가시켰습니다. 이를 표면증강라만산란 현상이라고 합니다. 이 표면증강라만산란 현상에 의해 금속 나노구조 표면에 존재하는 분자의 라만 신호는 크게 증가시킬 수 있습니다.
하지만, 이를 일반적인 생체 시료에 직접 적용하는 건 어려웠습니다. 생체 시료에 존재하는 다양한 크기의 단백질들이 금속 표면에 비가역적으로 흡착해 실제 분석이 필요한 분자의 접근을 막기 때문입니다. 일반적으로 사용되는 생체 시료분석법은 대형 장비를 이용한 시료 전처리 과정이 필수입니다. 하지만 이로 인해 시료의 신속한 현장 분석이 어려워 시간과 비용을 증가시킵니다.
연구팀은 시료의 정제 과정 없이 분자를 직접 검출하기 위해 하이드로젤에 주목했습니다. 하이드로젤은 친수성 나노 그물 구조를 이루고 있어 단백질처럼 크기가 큰 분자는 배제하고 작은 크기의 분자만을 내부로 확산시킵니다. 또한 하이드로젤이 전하를 띠는 경우 반대 전하를 띠고 있는 분자를 선택적으로 흡착시켜 농축할 수 있습니다.
연구팀은 이러한 원리를 센서 구현에 적용시키기 위해 미세 유체기술을 이용했습니다. 이는 머리카락 굵기 수준의 좁은 미세 유로에서 유체 흐름을 제어하는 기술을 말합니다. 연구팀은 이를 통해 금 나노입자 응집체를 형성하는 동시에 전하를 띠는 하이드로젤 미세입자 안에 캡슐화 하는데 성공했습니다.
하이드로젤 미세 입자는 생체 시료에 도입돼 단밸질로부터 금 나노입자 응집체를 보호하고 동시에 반대 전하를 띠는 표적 분자를 응집체 표면에 선택적으로 농축시킵니다. 이를 통해 표적 분자의 라만 신호는 단백질의 방해 없이 증대되며 시료의 전처리 과정 없이 빠르고 정확한 분자 검출이 가능해집니다.
김신현 교수는 "새롭게 개발한 라만센서는 식품 내 살충제 성분 검출 뿐 아니라 혈액과 소변, 땀 등 인체 속 시료에 들어가 있는 약물, 마약 성분 등 다양한 바이오마커의 직접 검출에도 사용 가능하다"고 말했습니다.
재료연구소 김동호 박사는 "시료 전처리가 필요없기 떄문에 현장에서 시료의 직접 분석이 가능해 시간과 비용의 혁신적 절감이 가능해질 것"이라고 말했습니다. 이 논문은 나노 분야의 국제학술지 <Small>에 게재됐습니다.
