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날숨에 포함된 생체지표 분석만으로 질병 진단 가능한 기술 개발
전기 방사 기술과 단백질 구 내부에서 합금 촉매를 합성하는 기술 사용해 … 기체의 미세한 농도 변화까지 정확하게 측정 가능해져
[437호] 2017년 08월 29일 (화) 곽지호 기자 jim9611@kaist.ac.kr

 신소재공학과 김일두 교수 연구팀이 사람의 날숨으로 질병 진단이 가능한 센서를 개발했다. 연구팀이 개발한 센서는 호흡만으로도 간편하게 특정 질병을 감지할 수 있어 많은 주목을 받고 있다. 이번 연구는 지난 7월 <어카운츠 오브 케미컬 리서치(Accounts of Chemical Research)>의 표지논문으로 게재됐다.

기체의 농도 측정하는 센서 소재 개발
사람이 질병을 앓게 되면 날숨에 포함되는 기체의 조성비가 달라진다. 예를 들어, 당뇨병을 앓고 있는 사람은 건강한 사람보다 약 2~6배의 아세톤 기체를 날숨에 포함하게 되며, 폐암을 앓고 있는 사람의 날숨에는 톨루엔이 포함되어 있다. 이렇게 질병과 관련된 바이오마커*(Biomarker)들을 생체지표 기체라 부르며, 이번 연구는 생체지표 기체를 탐지하는 가스 센서의 소재를 개발하였다는 점에서 주목받고 있다. 또한, 이번에 개발한 기술은 가스 감지와 관련된 여러 분야에 적용할 수 있다. 연구팀은 특정 기체를 감지할 수 있는 기술을 이용하여 대기오염, 황사 등의 이상 대기 현상을 감지할 수 있으며 연구실에서 독성 기체들을 탐지하는 데 사용될 것이라 설명했다.

합금과 단백질로 제작한 나노 섬유
연구팀은 전기 방사 기술을 사용해 금속 입자를 포함하는 금속 산화물 나노 섬유를 개발했다. 전기 방사 기술이란 용액을 주사기와 같은 물체에 넣은 후 뒤에서 압력을 가함과 동시에 반대쪽에 위치한 철판에 전기장을 가해 나노 섬유를 만드는 기술이다. 연구팀은 폴리머와 텅스텐 이온, 금속 입자가 포함된 용액을 사용하였다고 설명했다. 이후 섭씨 약 600도의 온도로 열처리를 해주면 고분자 물질은 모두 연소하고 텅스텐 입자들은 삼산화 텅스텐으로 산화하며 금속 입자가 산화물에 분포하는 형상을 띠게 된다. 이렇게 만들어진 금속산화물이 특정 기체에 노출되면 전기적 저항이 변화한다. 주성분 분석법을 이용하여 변화한 저항값을 기존 데이터와 비교하면 해당 기체의 농도를 알아낼 수 있다.
연구팀은 새로운 방식으로 금속 촉매를 개발하여 센서의 정밀도를 높였다. 기존 연구에서는 단일 원소로 이루어진 금속 촉매를 사용하였는데, 단일 원소를 사용할 경우 저항 변화율이 낮아 전기적 신호와 잡음을 구별하는 데에 어려움이 있었다. 연구팀은 백금-팔라듐(PtPd), 백금-로듐(PtRh) 등 합금으로 이루어진 나노 형태 촉매를 사용하고 아포페리틴**(apoferritin)을 사용하여 금속 촉매를 개발한 것이 센서의 정확성을 높이는 데에 큰 역할을 하였다고 설명했다. 외경 12nm, 내경 8nm 크기의 중공 구조를 이루는 구형 단백질을 금속 이온이 용해되어 있는 용액 속에 넣으면 농도 차에 의해 구 내부에 이온들이 들어가게 된다. 이후 수소화 붕소 나트륨(NaBH4)과 같은 환원제를 넣으면 구 내부에 금속 클러스터(Cluster)가 생긴다.

촉매의 표면적 증가로 민감도 높아져
이렇게 만들어진 금속 촉매는 단백질에 둘러싸여서 입자끼리 뭉치지 않아 폴리머에 골고루 분포되며, 표면적이 넓어져서 센서 역할을 더 잘 수행할 수 있게 된다. 또한, 폴리머를 열처리하는 과정에서 단백질이 함께 연소하여 단백질 구가 차지하고 있던 섬유단에 구멍이 생겨 다공성의 섬유가 형성된다. 이 또한 금속 촉매들의 표면적을 넓혀주는 효과를 가져와 센서의 민감도가 높아지게 된다. 이번 연구는 기존의 물성을 뛰어넘는 이종촉매를 개발함으로써 날숨 속에 존재하는 극미량의 생체지표 기체들도 감지할 수 있게 되었다는 중요성을 가지고 있다.

연구팀은 추후 연구를 통하여 의료 분야에서도 이번에 개발한 센서를 사용할 계획임을 밝혔다. 이번 연구에 참여한 장지수 박사는 “이번 연구에서는 특정 기체를 감지할 수 있는 소재의 가능성을 보았다”며 “최종적으로는 인위적인 연구실 환경이 아닌 임상 시험을 통하여 호흡으로 환자와 정상인을 구분할 수 있도록 하겠다”는 전망을 밝혔다.

바이오마커*
체내의 변화를 알아낼 수 있는 지표 혹은 유기체의 존재를 알려주는 물질.

아포페리틴**
소장의 점막세포에 존재하는 분자량 약 46만의 속이 비어있는 구형의 단백질.

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