[서울=뉴스핌] 김영섭 기자 = KAIST(총장 신성철) 생명화학공학과 김신현 교수 연구팀은 재료연구소 김동호 박사와 공동연구를 통해 생체 시료에 들어있는 미량의 분자를 직접 검출할 수 있는 센서를 개발했다고 18일 밝혔다. 

연구팀은 개발한 센서를 통해 다양한 종류의 살충제 성분을 검출하는 데 성공했다. 특히 국내 및 유럽에서 문제가 됐던 달걀 속 살충제 성분인 ‘피프로닐 술폰(Fipronil sulfone)’을 시료 전처리 없이 검출할 수 있음을 증명했다. 

연구팀의 센서는 전하를 띠는 하이드로젤 미세입자 내부에 금 나노입자 응집체를 캡슐화한 형태로 생체 시료 내에 존재하는 분자를 직접 분석해야 하는 광범위한 분야에 적용 가능할 것으로 기대된다. 

연구결과는 나노 분야의 국제 학술지 ‘스몰(Small)’ 내부표지 논문으로 지난 4일 게재됐다. 

KAIST 생명화학공학과 김신현 교수 연구팀이 재료연구소 김동호 박사와 공동연구를 통해 생체 시료에 들어있는 미량의 분자를 직접 검출할 수 있는 센서를 개발했다. 연구결과는 나노 분야의 국제 학술지 ‘스몰(Small)’ 내부표지 논문으로 지난 4일 게재됐다. 2018.10.18. [사진=KAIST]

연구진에 따르면 분자가 레이저에 노출되면 ‘분자 지문’이라고 불리는 고유의 ‘라만(Raman)’ 신호를 보인다. 하지만 일반적으로 라만 신호의 세기는 매우 낮아 실질적인 분자 감지에 사용이 어렵다. 

이에 연구팀은 금속 나노구조의 표면에서 발생하는 표면 플라즈몬 공명 현상이 강한 세기의 기장을 형성하는 점을 이용해 라만신호를 현저히 증가시켰다. 이를 ‘표면증강라만산란 현상’이라고 한다. 

이 표면증강라만산란 현상에 의해 금속 나노구조 표면에 존재하는 분자의 라만신호는 크게 증가시킬 수 있지만 이를 일반적인 생체 시료에 직접 적용하는 것은 어렵다. 생체 시료에 존재하는 다양한 크기의 단백질들이 금속 표면에 비가역적으로 흡착해 실제 분석이 필요한 분자의 접근을 막기 때문이다. 

일반적으로 사용되는 생체 시료 분석법은 대형 장비를 이용한 시료 전처리 과정이 필수이다. 하지만 이로 인해 시료의 신속한 현장 분석이 어려워 시간과 비용을 증가시킨다. 

(그림) 시료 전처리 없이 분자 선택적 라만 분석이 가능한 하이드로젤 기반 라만 센서의 원리 2018.10.18. [자료=KAIST]

연구팀은 시료의 정제 과정 없이 분자를 직접 검출하기 위해 하이드로젤에 주목했다. 하이드로젤은 친수성(親水性) 나노 그물 구조를 이루고 있어 단백질처럼 크기가 큰 분자는 배제하고 작은 크기의 분자만을 내부로 확산시킨다. 또한 하이드로젤이 전하를 띠는 경우 반대 전하를 띠고 있는 분자를 선택적으로 흡착시켜 농축할 수 있다. 

연구팀은 이런 원리를 센서 구현에 적용시키기 위해 미세유체기술을 이용했다. 이를 통해 금 나노입자 응집체를 형성하는 동시에 전하를 띠는 하이드로젤 미세입자 안에 캡슐화하는 데 성공했다. 

하이드로젤 미세 입자는 생체 시료에 도입돼 단백질로부터 금 나노입자 응집체를 보호하고, 동시에 반대 전하를 띠는 표적 분자를 응집체 표면에 선택적으로 농축시킨다. 이를 통해 표적 분자의 라만 신호는 단백질의 방해 없이 증대되며 시료의 전처리 과정 없이 빠르고 정확한 분자 검출이 가능해진다. 

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”며 “시료 전처리가 필요없고 현장에서 시료의 직접 분석도 가능해 시간과 비용의 혁신적 절감이 가능해질 것”이라고 말했다. 

kimys@newspim.com