생명화학공학과 김신현 교수 연구팀이 특별한 전처리 과정 없이 생체 시료 속 미량 분자를 직접 검출할 수 있는 기술을 개발했다. 연구팀이 개발한 기술은 살충제 계란으로 논란이 되었던 살충제 성분을 전처리 과정 없이도 검출할 수 있어 주목받고 있다. 이번 연구는 지난 10월 4일 <스몰(Small)>에 게재됐다.

금 입자 표면에서 라만 신호 증폭돼

 동물의 혈액, 계란과 같은 생체 유체 내에서 유해물질을 검출하는 일은 매우 중요하다. 유해물질 검출을 위해, 이번 연구에서는 분석기기가 소형화되어 있고 검출 시간이 짧은 라만분광법을 사용했다. 라만분광법은 서로 다른 종류의 분자에 레이저를 쬐었을 때 분자의 진동에너지 준위에 따라 방출되는 빛의 파장이 다름을 이용하는 분석법이다. 이때 방출되는 라만 신호는 매우 작지만, 검출하고자 하는 표적 물질이 금 나노입자 간의 나노 갭(Nano Gap)에 위치하게 될 경우 금 나노입자 표면에서의 전자기장 향상이 크게 일어나 라만 신호가 증폭되게 된다. 하지만 생체 유체 내에는 표적 물질 외에도 단백질 등 다른 분자들이 혼합되어 있으며, 이들 중 분자의 크기가 큰 단백질이 금 나노입자 표면에 흡착되어 표적 물질의 신호 증폭을 방해한다는 문제가 있었다. 이에 따라, 원심분리, 액체 크로마토그래피 등의 분리과정을 통해 생체 시료 내에서 단백질을 걸러내는 것은 기존 과정에서 필수적이었다. 그러나 이러한 전처리 과정에 사용되는 장비는 규모가 커 외부 현장에서 분자 검출을 시행할 수 없었다.

그물망이 금 입자 둘러싼 구조 개발

 연구팀은 하이드로젤(Hydrogel)을 이용해 단백질을 분리해내는 새로운 기술을 개발해 기존 한계를 극복했다. 하이드로젤은 친수성의 고분자가 서로 가교(Cross-Link) 하여 그물망 구조를 이룬 물질이다. 연구팀은 두 갈래로 나누어진 유체 관에 각각 염화 나트륨(NaCl) 용액과 금 나노입자가 포함된 하이드로젤 단량체 수용액을 흘려보냈다. 유체 관 외부에는 기름이 흐르고 있으며, 두 유체가 좁은 관 끝에서 만나면 유화액*(Emulsion)이 생성된다. 이때 염화 나트륨과 금 나노입자가 혼합되어 금 나노입자가 응집되며, 여기에 자외선을 쬐어주면 하이드로젤 단량체**가 경화되어 하이드로젤이 금 나노입자 응집체를 감싸고 있는 구조가 생성된다. 이후 연구팀은 아이소프로필 알코올(Isopropyl Alcohol, IPA)을 이용해 하이드로젤 구조 외부의 상을 기름에서 물로 치환했다. 이렇게 생성된 금 나노입자 응집체가 함유된 하이드로젤은 생체 유체에 주입되어 바로 라만분광법에 이용할 수 있다.

하이드로젤이 단백질 분자 흡착 막아

 단백질 분자는 하이드로젤 그물망보다 입자의 크기가 커 하이드로젤의 그물망 구조를 통과할 수 없어, 금 나노입자에 단백질이 흡착되는 것을 막을 수 있다. 따라서 표적 물질만이 금 나노입자 응집체에 접근하여 라만 신호를 증폭할 수 있으며, 기존보다 표적 물질을 효과적으로 검출할 수 있게 된다. 또한, 연구팀은 전하를 띠는 고분자 물질로 하이드로젤을 제작하면 하이드로젤과 반대 전하를 띠는 분자들이 주변보다 상대적으로 농축되어, 물질의 선택적인 검출도 가능함을 밝혔다.

 이번 연구에 제1 저자로 참여한 김동재 박사 과정은 “이번 연구에서 개발한 기술은 검출할 분자의 농도가 높아야 한다는 한계가 있다”며, “추후 연구를 통해 검출 한곗값을 낮추는 연구를 진행할 예정이다”라고 밝혔다.

유화액*

서로 섞이지 않는 액체에서, 한 액체가 다른 액체에 콜로이드 상태로 퍼져 있는 용액. 예시로는 우유 등이 있다.

단량체**

고분자화합물 또는 화합체를 구성하는 단위 분자.