옥수수 전분으로 만든 바이오센서로 수은 신속 검출
옥수수 전분으로 만든 바이오센서로 수은 신속 검출
  • 한국과학경제
  • 승인 2019.10.10 13:11
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세계 보건기구 수은 허용기준보다 낮은 검출한계(3.3μg/L) 확보
휴대할 수 있고 사용법이 간단하여 현장용 플랫폼 가능성 열어
수은 검출 모식도
수은 검출 모식도
자동화 칩 실물
자동화 칩 실물

 

【한국과학경제=윤혜민 기자】 #.물에 오염된 수은을 1시간 이내에 고감도로 검출할 수 있는 바이오센서가 개발되었다. 전문 실험실에서 주로 사용하는 수은 분석 장비보다 훨씬 크기가 작아 휴대할 수 있고 사용방법이 간단할 뿐 아니라, 소요비용이 저렴하여 경제적이다.

한국식품연구원(식품연)은 고가이며 대형인 기존 수은분석기와 달리 물에 오염된 수은의 농도를 빠르고 간편하게 분석할 수 있는 바이오센서를 활용한 휴대형 고감도 수은 검출 기술을 개발했다.

식품연구원 우민아 박사 연구팀에 의하면, 이번 기술은 전문적인 수은 검출 기기와 비교해 소형화를 이루었음에도 오히려 더 미세한 단위의 분석(검출한계: 3.3μg/L)은 물론, 분석 시간 또한 1시간 이내로 줄임으로서 수은 분석 기술의 한계를 뛰어넘었다.

‘물처럼 흐르는 은'이라는 뜻에서 가져온 한자어인 수은(水銀)은 상온에서 액체인 물질 중에서는 가장 밀도가 높으며 금속을 잘 용해시키는 용매의 성질이 있어 금 또는 은을 녹일 수 있다.

그러나 이러한 특성 이외에도 인체 흡수 시, 체외로 잘 배출되지 않고 쌓이게 되며 특히 신경세포에 막대한 피해를 주는 위험성이 존재하며 대표적으로 미나마타병이 존재하는 등 주의할 필요가 있다.

특히 미나마타병은 공해병의 일종으로 수은 중독에 의해 나타나는 질병이다. 수은이 배출되지 않고 신체에 쌓이면서 특히 신경세포에 막대한 피해를 주며, 이 때문에 신체의 마비 증세와 정신지체 등의 각종 신경학적 증세가 발생한다. 국내에서도 화학산업단지가 밀집된 지역에서 1970년대 발병사례가 다수 있었다.

이처럼 수은 이온은 독성이 강한 수용성 무기수은이다. 수(水) 환경의 무기수은 오염은 생태계의 질적 문제를 야기할 뿐 아니라, 먹이사슬을 따라 축적됨으로써 결국에는 사람의 건강에 악영향을 미친다.

수은을 분석하기 위해 가장 많이 사용되고 있는 것은 유도결합 플라스마 질량분석기 (ICP-MS; Inductively Coupled Plasma–Mass Spectrometry)라는 장비다. 플라스마를 이용하여 시료를 이온화시키고 질량 분석기로 분리하기 때문에 정밀도와 민감도가 매우 우수하다.

그러나 이러한 정밀분석 장비를 이용하기 위해서는 정확하고 숙련된 작업이 필요하며 분석 비용이 상대적으로 비싸다. 또 분석 시간이 길고 휴대할 수 없어 현장용으로 적합하지 않다.

이러한 단점을 극복하기 위해, 색 변화로 수은의 존재를 쉽게 판별할 수 있는 비색 바이오센서가 최근 활발히 연구되고 있다. 그러나 기존의 비색 바이오센서는 사진 이미지로 색을 비교할 경우 빛 등 주변 환경 요인에 따라 결과의 재현성이 떨어지거나, 정확한 결과를 얻기 위해 흡광도를 측정할 수 있는 분광장비를 사용하기 때문에 현장 활용성이 부족한 실험실 수준의 연구에 그치는 경우가 많다.

우민아 박사 연구팀은 이번 연구를 통해 수은 검출용 자동화 칩을 개발하고 휴대 간편한 색차계를 이용함으로써, 사용자 편의성과 재현성이 높은 비색 바이오센서를 구현했다.

개발된 자동화 칩은 DNA 증폭반응을 위한 영역과 발색반응을 위한 영역이 각각 나뉘어 미세 채널로 연결되어 있다. 측정하고자 하는 샘플을 칩의 입구에 넣으면 이후 일련의 과정(증폭반응→용액이동→발색반응)이 자동으로 이루어져 사용하기에 편리하다. 샘플 주입부터 측정까지 소요시간은 총 50분 수준이다.

자동화 칩은 상용 3D 프린터를 이용해 제작한 관계로 기존의 미세 채널 칩을 제작하는 방식에 비해 경제적이다. 칩은 일회용이지만 저가의 고분자 소재 (PLA; Poly Lactic Acid)로 만들었고, 이 소재는 옥수수 전분에서 추출한 원료로 만든 소재로 미생물에 의해 100% 생분해되므로 친환경적이라는 특성이 존재한다.

이번 연구에서 활용한 DNA 회전환증폭법은 기본적으로 DNA를 회전시켜 똑같은 염기서열을 반복적으로 대량 생산하는 장점이 있다. 특히 이 방법(주형 DNA)을 개조해 2배의 증폭이 일어나게 한 결과, 물의 수은 이온 검출한계를 세계 보건기구(WHO) 허용기준인 6.0μg/L 보다 낮은 3.3μg/L 까지 확보할 수 있었다.

아울러 기존 비색 바이오센서와 달리 색 정량화를 위해 분광 방식이 아닌 전통 색 측정 방식을 이용한 색 품질관리용 색차계를 활용한다는 특징을 가지고 있다. 이 장치는 휴대할 수 있는 소형으로 매우 가볍고, 무엇보다 측정 시 빛이 차단되도록 설계되어 있어 주변 환경 변화에 큰 영향을 받지 않아 결과의 재현성이 높다.

한국식품연구원 전략기술연구본부 김경탁 본부장은“이번 연구 결과는 기존의 수은 분석 장비가 갖는 한계를 극복하기 위해, 저렴하고 간편한 방법으로 1시간 이내에 수은을 검출할 수 있는 바이오센서를 구현하고 높은 민감도와 재현성을 보여줌으로써 유망한 현장용 검출 플랫폼임을 입증한 데 그 의의가 있다”고 밝혔다.


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