KAIST 생명화학공학과 김신현(왼쪽) 교수와 김동재 박사과정. KAIST 제공

달걀 속 살충제 성분을 현장에서 검사할 수 있는 센서가 개발됐다.

18일 한국과학기술원(KAIST)에 따르면 생명화학공학과 김신현 교수 연구팀과 재료연구소 김동호 박사 공동 연구팀은 생체 시료에 들어있는 미량의 분자를 직접 검출할 수 있는 센서를 개발했다.

연구팀은 이 센서를 통해 다양한 종류의 살충제 성분을 검출하는데 성공했다. 특히 국내를 비롯해 유럽에서도 문제가 됐던 달걀 속 살충제 성분인 ‘피프로닐 술폰(Fipronil sulfone)’을 시료 전처리 없이 검출할 수 있음을 증명했다.

분자가 레이저에 노출되면 ‘분자 지문’이라 불리는 고유의 라만(Raman) 신호를 보인다. 하지만 일반적으로 라만 신호의 세기는 매우 낮아 분자 감지에 실제로 사용하기 어렵다.

연구팀은 금속 나노구조의 표면에서 발생하는 표면 플라즈몬 공명 현상이 강한 세기의 기장을 형성한다는 점을 이용해 라만신호를 크게 증가시켰다. 이를 ‘표면증강라만산란 현상’이라 한다.

하지만 표면증강라만산란 현상을 통해 금속 나노구조 표면에 존재하는 분자의 라만신호는 크게 증가시킬 수 있지만, 생체 시료에 존재하는 다양한 크기의 단백질이 금속 표면에 흡착하는 탓에 실제 분석이 필요한 분자의 접근을 막아 일반 생체 시료에 직접 적용하는 것은 어렵다.

시료 전처리 없이 분자 선택적 라만 분석이 가능한 하이드로젤 기반 라만 센서의 원리. KAIST 제공

시료의 정제 과정 없이 분자를 직접 검출하기 위해 연구팀은 ‘하이드로젤’에 주목했다.

하이드로젤은 친수성(親水性) 나노 그물 구조를 이루고 있어 단백질처럼 크기가 큰 분자는 배제하고 작은 크기의 분자만을 내부로 확산시킨다. 또 하이드로젤이 전하를 띠는 경우 반대 전하를 띠고 있는 분자를 선택적으로 흡착시켜 농축할 수 있다.

이들은 미세유체기술을 이용, 금 나노입자 응집체를 형성하는 동시에 전하를 띠는 하이드로젤 미세입자 안에 캡슐화 하는데 성공했다.

센서가 전하를 띠는 하이드로젤 미세입자 내부에 금 나노입자 응집체를 캡슐화한 형태인 만큼, 생체 시료 내에 존재하는 분자를 직접 분석하는 분야에 광범위하게 적용 가능할 전망이다.

김신현 교수는 “새롭게 개발한 라만 센서는 식품 내 살충제 성분 검출 뿐 아니라 혈액과 소변, 땀 등 인체 속 시료에 들어있는 약물, 마약 성분 등 다양한 바이오마커의 직접 검출에도 사용 가능하다”고 말했다.

재료연구소 김동호 박사는 “시료 전처리가 필요없기 때문에 현장에서 시료의 직접 분석이 가능해 시간과 비용의 혁신적 절감이 가능해질 것”이라고 말했다.

한편 김동재 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구는 나노분야의 국제 학술지 ‘스몰(Small)’ 10월 4일자 내부표지 논문으로 게재됐다.

달걀 속에 녹아 있는 피프로닐 술폰의 농도에 따른 라만 스펙트럼. KAIST 제공

대전=전희진 기자 heejin@kmib.co.kr
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