성균관대-고려대-금오공대 연구팀, 참치 속 수은 검출 센서 개발

성균관대학교는 바이오메카트로닉스학과 박진성 교수가 이끄는 공동 연구팀이 식품 속 독성 중금속(수은) 이온의 초고민감도 검출에 성공했다고 26일 밝혔다.

수은은 아말감 합금과 디스플레이 소재 등에서 광범위하게 사용되지만, 인체에 노출되면 중추신경계 마비와 폐 손상을 유발하는 독성 물질이다. 수은은 화산 폭발 같은 자연현상이나 발전소 등에서 배출된 증기가 비를 통해 이동하면서 해양 생태계에 축적된다. 먹이사슬 상위에 있는 참치 같은 어류에서 수은 농도가 높게 나타날 수 있고 이를 섭취한 인간에게도 심각한 영향을 미칠 수 있다. 이에 따라 식품 속 수은 함유량을 정확히 검출하는 기술이 중요하다.

박 교수 연구팀은 고려대 나성수 교수, 금오공대 류준석 교수 연구팀과 함께 기존 DNA 기반의 수은 이온 검출 센서가 가진 한계를 극복하기 위해 새로운 접근을 시도했다. 기존 센서는 DNA 염기서열을 티민으로만 구성해 수은 이온과의 결합 효율을 높이려 했으나, 오히려 DNA 간 반발력이 크게 작용해 효율이 떨어지는 문제가 있었다.

이를 해결하기 위해 공동 연구팀은 PCR-melting curve를 사용해 DNA와 수은 이온 간 결합 효율을 극대화할 수 있는 염기서열을 골라냈다.

또한 연구팀은 이중 커피링(coffee ring) 농축 기술을 적용해 센서의 민감도를 크게 향상했다. 커피링 효과란 커피를 테이블에 흘리면 커피 방울의 가장자리와 안쪽의 증발속도 차이로 인해 가장자리에 커피 가루가 진하게 남는 현상을 말한다. 연구팀은 커피링 효과를 통해 수은 이온과 최적화된 DNA가 센서의 가장자리로 농축되게 해 결합 효율을 더욱 높였다.

연구팀은 특정 단일파장의 광원을 분석 시료에 쬐어 결합 상태에 따른 진동 에너지의 변화를 고유한 스펙트럼으로 확인하는 라만 분광 기술을 사용했다. 라만 신호를 극대화하기 위해 표면증강라만산란(SERS)을 적용했다. 연구팀은 바이메탈(서로 다른 2가지 종류의 접합된 금속 소재 조합) 나노 기둥 형태를 제작해 SERS 기판으로 사용했고 SERS 기판 위에 DNA를 고정해 수은 이온을 민감하게 검출하는 데 성공했다.

연구팀은 증류수에서는 극저농도인 208.7fM(femto molar, 10-15M)까지 검출했고, 수돗물과 식수에서는 각각 553.2fM, 950.2fM까지 검출했다. 또한 참치통조림과 참치회 추출물에서는 각각 9.9nM(nano molar, 10-9M), 79.1nM 농도의 수은을 검출했다.

교신저자인 박 교수는 "이번 연구는 DNA 서열 최적화와 커피링 농축 기술을 결합해 고민감도 SERS 센서의 원천기술을 제시한 것"이라며 "이 기술은 독성 물질 검출뿐만 아니라 DNA 기반 바이오센서와 헬스케어 분야에서도 활용할 수 있다"고 말했다.

이번 연구 결과는 분석화학분야 국제학술지 바이오센서스 앤 바이오일렉트로닉스에 게재됐다.

이번 연구는 한국연구재단(중견연구, 바이오의료기술개발사업, 창의·도전연구기반지원사업)과 고려대 지원을 받아 진행했다.