의학의 아버지, 히포크라테스는 특정 질병을 앓고 있는 환자에게 특유의 입 냄새가 난다는 기록을 남겼다. 그렇다면 입 냄새를 감지해 질병 을 진단할 수 있지 않을까?

우리 학교 신소재공학과 김일두 교수팀이 인간의 날숨에서 검출되는 아세톤 기체를 분석해 당뇨병을 진단할 수 있는 날숨진단센서를 개발했다. 이번 연구 결과는 신소재 응용분야의 세계적인 학술지 <어드밴스드 펑셔널 머터리얼스(Advanced Functional Materials)> 5월 20일 자 표지논문으로 선정되었다.

당뇨병 환자의 입에서 나는 시큼한 사과꽃 향

체내의 혈당을 조절하는 호르몬인 인슐린이 모자라거나, 제대로 기능하지 못해 높은 혈당 상태가 계속되는 질환을 당뇨병이라고 한다. 당뇨병은 여러 합병증을 유발하는데 그중에 대표적인 것이 케톤산증이다. 혈당 조절 기능에 이상이 생겨 포도당이 세포 안으로 제대로 흡수되지 못하면 당을 공급받지 못한 세포가 지방을 에너지원으로 사용하게 된다. 이 과정에서 지방분해산물로 아세톤(케톤)이 생성되는데 바로 이 아세톤이 환자의 호흡에서 나는 시큼한 사과꽃 향의 정체다.

김 교수팀은 아세톤 냄새에 주목했다. 당뇨병 환자의 날숨 속에는 1800ppb 가량의 아세톤 기체가 포함되어 있다. 이는 정상인의 300 ~ 900ppb에 비해 두 배 이상 높다. 따라서 날숨 속의 아세톤 농도를 정밀하게 측정할 수 있다면, 음주 측정하듯 손쉽게 당뇨병을 진단할 길이 열리는 것이다.

기체 흡착시 저항이 변하는 금속산화물

하지만 인간의 날숨에서 아세톤 기체만을 감지하는 소재를 개발하기란 쉽지 않다. 날숨에는 아세톤 외에도 많은 종류의 유기화합물 기체가 포함되어있기 때문이다. 김 교수팀은 이를 위해 금속산화물 표면에 기체가 흡착되면 산화물 표면에서 전자가 재배치되어 산화물의 비저항이 변하는 점을 이용했다. 저항의 변화폭은 금속산화물이 어떤 촉매하에 어떤 기체와 반응하느냐에 따라 달라진다. 따라서 아세톤 기체만을 감지해내는 소재를 개발하는데 관건은 아세톤 기체에 대해서만 반응성이 큰 금속산화물과 촉매 조합을 찾는 것이다.

다공성 산화주석과 백금 나노촉매가 열쇠

산화주석(SnO2)은 아세톤 기체와 반응해 저항을 변화시키지만, 날숨 속의 황화수소(H2S)에 대해 더 높은 반응성을 보인다. 하지만 백금 나노입자가 여기에 촉매로 작용하면 반대의 결과를 가져온다. 백금 입자는 황화수소에 대해 반촉매로 작용해 반응성을 낮추지만, 아세톤에 대해서는 정촉매로 작용한다.

김 교수팀은 전기방사 기술로 다공성 산화주석을 만들고 이 위에 백금 나노입자를 균일하게 도포했다. 전기방사 기술이란 고분자 속에 전구체(주석) 이온을 녹여 전기장 하에 노즐로 분사하는 섬유제작기술이다. 분사된 고분자 용액을 고온에서 태우면 고분자는 제거되고 섬유형태의 이온 산화물만 남게 되는데, 노즐에서의 방사 속도가 빠를수록 산화물에 큰 구멍이 생긴다. 산화주석에 생긴 구멍은 비표면적을 넓히는 역할을 해 산화주석과 아세톤 기체 간의 반응속도를 높여준다. 김 교수팀이 개발한 날숨진단센서는 120ppb급의 농도 변화를 감지할 수 있는 기기로 7.6초의 빠른 진단속도를 보여줘 날숨으로 당뇨병을 진단할 수 있음을 입증했다.

이번 연구는 당뇨병을 쉽게 진단할 수 있는 기기를 개발했다는 점에서만 중요한 것은 아니다. 같은 방식을 다른 질병에 차용해 각각 소재를 개발한다면, 다양한 종류의 질병을 조기 검출, 관리할 수 있는 검진기를 만들 수 있다. 또한, 전기적인 방법을 이용했기 때문에 소형화가 가능해 가정에 보급하면 집에서도 쉽게 건강 변화를 확인할 수 있다는 점에 의의가 있다.

김 교수는 “현재 날숨 속의 톨루엔 분석을 통한 폐암 진단과 당뇨, 신장병, 천식 등에 관심이 있다”라며 앞으로의 연구 계획을 밝혔다.