나노캡슐로 환경 유해물질 실시간 모니터
나노캡슐로 환경 유해물질 실시간 모니터
  • 함예솔
  • 승인 2020.02.23 23:55
  • 조회수 707
  • 댓글 0
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요약

 

나노캡슐을 통해 환경 유해물질을 실시간 모니터링 하는 것이 가능해집니다. 연구팀은 기존에 개발된 상향변환(Upconversion) 나노캡슐에 형광물질을 결합해 캡슐의 위치 추적과 함께 유해물질이 축적된 양을 동시에 측정할 수 있는 센서를 개발했습니다. 이는 향후 다양한 환경, 질환적 위해요소들을 현장에서 손쉽게 검출할 수 있는 소형 진단기기용 소재로 활용이 가능할 전망입니다. 

나노캡슐 통해 유해물질 실시간 모니터링? 출처: AdobeStock
나노캡슐 통해 유해물질 실시간 모니터링? 출처: AdobeStock

한국생명공학연구원과 연세대학교는 공동 연구를 통해 단일 광원을 이용해 서로 정반대의 방향으로 방출되는 두 종류의 빛을 이용해 유해물질의 실시간 모니터링과 동시에 유해물질의 위치 추적이 가능한 나노캡슐 기술을 개발하는데 성공했습니다. 해당 연구는 <Journal of Materials Chemistry A>에 게재됐습니다. 

나노캡슐에 빛을 쏘여, 나노 캡슐 위치 확인 및 유해물질 확인 과정. 출처: 한국생명공학연구원
나노캡슐에 빛을 쏘여, 나노 캡슐 위치 확인 및 유해물질 확인 과정. 출처: 한국생명공학연구원

나노캡슐에 빛 쏘여 유해물질 확인한다

 

다중 발광 나노캡슐은 단 하나의 광원을 사용함에도 불구하고 2종류의 다른 파장대 영역의 빛을 방출함으로써 동시에 다양한 기능을 발현할 수 있습니다. 첫 번째로 방출되는 나노캡슐의 내부에서 나오는 상향변환(Upconversion)된 빛으로부터 나노캡슐이 분포돼 있는 위치의 추적이 가능하며 두 번째로 외부에 결합된 형광물질로부터 나오는 하향변환(Downconversion)된 빛을 통해서 유해물질이 축적된 양을 확인할 수 있습니다.

동시 다발적 발광을 통한 유해물질 모니터링 시스템 개요도. 출처: 한국생공학연구원
동시 다발적 발광을 통한 유해물질 모니터링 시스템 개요도. 출처: 한국생공학연구원

'상향변환(Upconversion)'이란 빛의 전체 파장영역 중에서 빨간색 빛(낮은 에너지, 높은 파장)을 받아 파란색 빛(높은 에너지, 낮은 파장)을 방출할 수 있습니다. 반면 '하향변환(Downconversion)'은 파란색 빛(높은 에너지, 낮은 파장)을 받아 빨간 색 빛(낮은 에너지, 높은 파장)을 방출합니다. 이번 연구에서는 상향변환 나노캡슐에 하향변환이 가능한 수은에 선택적으로 반응하는 형광물질을 결합했습니다. 이를 통해 나노캡슐의 위치 추적과 유해물질 모니터링을 동시에 할 수 있는 기술을 개발한 겁니다.

에너지 상향변환 나노캡슐의 표면에 기능화된 형광물질의 수은과의 선택적 반응으로 일어나는 구조 변화(좌), 홍합 내에서 형광물질이 수은과 반응하여 발광하는 공초점 레이저 주사 현미경 이미지 (우). 출처: 한국생명공학연구원
에너지 상향변환 나노캡슐의 표면에 기능화된 형광물질의 수은과의 선택적 반응으로 일어나는 구조 변화(좌), 홍합 내에서 형광물질이 수은과 반응하여 발광하는 공초점 레이저 주사 현미경 이미지 (우). 출처: 한국생명공학연구원

상향변환 나노캡슐은 다른 종류의 형광 염료를 선택하면 하나의 빛으로도 다양한 색의 형광 방출이 가능합니다. 이러한 원리를 이용해 나노캡슐 표면에 유해물질과 같은 표적을 선별적으로 검출할 수 있는 형광 화합물을 부착합니다. 그리고 홍합과 같은 갑각류에 주사한 뒤, 빛을 쏘여 촬영하면 현장에서 바로 유해물질이 축적된 위치와 타겟 물질의 양이 동시에 이미징이 가능해집니다.

에너지 상향변환 나노캡슐의 주사 전자현미경 이미지(좌)와 투과 전자현미경 이미지(우). 출처: 한국생명공학연구원
에너지 상향변환 나노캡슐의 주사 전자현미경 이미지(좌)와 투과 전자현미경 이미지(우). 출처: 한국생명공학연구원

특히, 기존의 광학 기반의 유해물질 모니터링 기술에서는 주사한 탐침(특정 물질을 탐색하기 위해 만든 물질)의 위치 추적이 힘들어 탐침이 고르게 분포돼 있다는 가정하에 유해물질의 양을 측정했다는 한계를 가지고 있었습니다. 그런데 이번에 개발한 소재는 세계최초 단일 광원을 이용했을 때 동시다발적인 발광이 가능한 시스템이며 이는 기존 검출기의 단점을 극복할 수 있습니다.

 

연구팀은 단일 광원을 나노캡슐에 쏘였을 때 나오는 두 종 이상의 발광된 빛을 활용해 기존 검출기의 단점을 극복하고 샘플의 모든 부위에 나노캡슐이 고르게 분포되어 있다는 것을 확인함과  동시에 유해물질의 농도 측정이 가능한 기술개발을 성공했습니다.

권오석 박사. 출처: 한국생명공학연구원
권오석 박사. 출처: 한국생명공학연구원

 

 

연구책임자인 권오석 박사는 "이번에 개발된 신소재 제조기술은 국민들이 우려하는 환경·질환적 위해요소들을 현장에서 손쉽게 검출할 수 있는 소형 진단기기용 소재로 활용이 가능할 것으로 기대된다"고 밝혔습니다.

 

 

 

 


##참고자료##

 

Seo, Sung Eun, et al. "Single-photon-driven up-/down-conversion nanohybrids for in vivo mercury detection and real-time tracking." Journal of Materials Chemistry A (2020).

 


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