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[바이오리포트] 마약탐지‧유해물질 잡아내는 휴대용 '바이오나노 전자코' 나왔다

 권오석 선임연구원 / 한국생명공학연구원 위해요소감지BNT연구단

생체모방기술은 자연 생명체의 기능과 구조의 원리를 모방하여 기능을 대신하거나 일부를 보완 및 대체하여 생체 기능을 향상시키는 기술이다. 90년대까지는 생체 구조적 특징만을 가지고 모방했지만, 기술 발전에 따라 인간의 오감에 대한 메커니즘이 규명되면서 생체모방과학 기술이 발전되었다. 인간 감각 모방 기술은 우리 일상에서 쉽게 접할 수 있으며, 대표적으로 스마트폰은 시각 모방으로 카메라를 통한 얼굴인식 기능, 청각 모방으로 마이크를 이용한 음성인식 기술, 그리고 촉각 감지기능을 모방한 터치패드의 활용이 있다.

이렇듯 한 제품에서 여러 인간의 오감을 모방한 기술을 볼 수 있으며, 일상 생활에서 사용 비중이 높은 시각, 청각, 촉각에 대한 연구 활동은 일찍부터 지속되어 왔지만, 이 외의 감각에 대해서는 뚜렷한 연구가 없는 실정이다.

그 중, 후각은 생존과 종족유지에 매우 중요한 감각이다. 시각과 청각의 사용에 한계가 있을 경우, 후각에 의존하여 상황 인지 및 판단을 내린다. 육안으로 확인 하기 어려운 음식의 부패를 후각을 통해 알 수 있고, 유독 가스나 화재 등 위험을 감지하기도 한다. 또한, 후각은 단순히 냄새를 맡는 것이 다가 아니라 음식의 맛을 좌우하기도 한다. 미각은 단맛, 신맛, 짠맛, 쓴맛, 감칠맛 만을 느낄 수 있지만, 후각은 10,000여가지의 냄새를 구분하고, 맛의 약 80%정도 영향을 준다. 인간의 후각은 직립보행과 문명의 발달로 역할이 축소되고 다른 동물에 비해 퇴화하였지만 여전히 오감 중 가장 민감하다. 시각의 경우 3종류의 수용체로 색을 구분하지만, 후각은 약 400 종의 수용체로 10,000여 가지의 냄새를 구분할 수 있다. 후각이 발달한 사람의 경우에는 0.01 ppt (1/1012) 농도의 냄새까지 맡을 수 있다는 보고가 있다. 냄새를 잘 맡는 사람은 0.01 ppt (1/1012) 농도의 냄새를 맡는다는 보고가 있다. 공기 분자 100조 개 중 1개를 알아 챌 수 있는 정도이다.

또한, 인간은 지오스민 (흙 냄새를 내는 분자)에 민감해 0.005 ppb의 농도를 감지하는데, 이는 상어가 피 냄새에 민감한 정도보다 월등하다 최근에는 냄새에 대한 연구가 이전보다 활발히 진행되고 있다. 특정 향기를 통해 그 향기와 연관된 과거 기억과 감정이 떠오르는 ‘프루스트 현상’을 이용해 냄새를 마케팅도구로 활용한 ‘향기마케팅’이나 냄새를 통해 심리·정서적 치료를 하는 ‘아로마테라피’ 등 다양한 방면에서 후각에 대한 가치와 관심이 높아지고 있다.

후각을 자극하는 냄새 물질 중 식품 속에 존재 하는 종만 약 1만가지의 종류가 있다고 추정하고 있으며, 후각 수용체의 종류는 약 400여개로 알려져 있다. 이들을 조합시켜 만들어지는 경우의 수를 따져보면 1조가 넘는 냄새의 개수가 나온다. 예전부터 이런 수많은 냄새들을 분류하고자 1916년 헤닝의 냄새 프리즘 상 배열에 의하면 6가지의 기본적인 냄새가 있다. 헤닝은 향신료향, 꽃/과일의 냄새, 송정유와 같은 수지향, 썩은 냄새, 탄냄새 등으로 분류했지만, 이 냄새들은 독립적인 것이 아니라 서로간의 상호작용을 한다고 주장했다. 이러한 헤닝의 분류법은 획기적인 것으로 인정되어 오고 있으며, 냄새를 분류하기 위한 시도들은 계속 되어 왔지만 냄새의 분류는 불가능하다는 결론을 내렸다.

한국생명공학연구원의 권오석 박사 및 서울대학교 박태현, 장정식 교수 연구팀은 다양한 방법으로써 냄새를 감지하는 전자코에 대한 연구를 지속적으로 진행하고 있으며, 전도성 나노구조체 기반으로 인체 후각 모사 수용체를 결합하여 바이오나노 전자코에 대한 다양한 연구 결과를 발표했다.

바이오나노 전자코 제작을 위해 그래핀, 탄소나노튜브 등의 전도성 나노구조체를 사용했으며, 특히, 물리·화학적으로 안정성이 높으면서 매우 높은 전자이동도를 가지고 현존하는 소재 중 특성이 가장 우수한 소재인 단일층 그래핀을 제작하여 바이오나노 전자코에 적용했다. 그래핀 표면에 후각 수용체를 고정하기 위해 표면처리를 진행했으며, 그 결과 그래핀과 후각 수용체 간의 화학적 결합되어 후각 수용체가 안정적으로 고정된 바이오나노 전자코를 개발했다.

그 중 세계최초로 플렉시블한 기판에 그래핀을 접목한 바이오나노 전자코를 개발한 연구 결과가 있으며, 이는 거치형, 평면 부착형을 벗어나 착용이 가능하여 휴대가 용이해지며 다양한 응용이 가능하다. 이 바이오나노 전자코의 경우에는 플렉시블 기판을 응용하였기에 구부러짐에도 손상이 없으며 원형으로 다시 돌아갈 수 있는 성질을 가지므로, 외부 물리적인 환경에도 기존의 전자코들보다 안정적이다.

또한, 그래핀 표면을 산소와 암모니아 가스를 이용해 플라즈마 처리를 함으로써 반도체 특성을 변화시킨 트랜지스터를 제작하여, 인체 후각 모사 수용체를 결합시킴으로 바나나와 살구 냄새가 나는 아밀 부틸레이트를 검출하였으며, 저농도 (0.04 fM)의 아밀 부틸레이트만을 선택적으로 검출이 가능했다. 가장 최근에, 본 연구진은 단일 냄새 분자만 검출하는 시스템을 지나 더 확장된 다중 검출을 위한 바이오나노 전자코 개발에 성공하였다.

이 바이오나노 전자코의 경우에는 미세전자기계시스템을 이용하여, 한 개의 센서 내에 미세 그래핀 채널을 다중으로 제작을 하고, 채널들에 각각 다른 인간 후각 모사 수용체를 결합시켜 수용체마다 다른 냄새분자들을 검출했다. 검출 대상으로는 바나나와 살구 향을 내는 분자와 상쾌한 바다 향을 내는 분자들이며, 각각 다른 그래핀 채널에서 신호를 나타냈다. 또한, 유사한 구조를 가지는 분자들과의 선택성 실험에서 각 수용체에 대해 특이적으로 반응하는 냄새 분자 외에는 반응이 없는 바이오나노 전자코를 개발했다.

이렇게 개발되는 바이오나노 전자코의 산업적 활용은 다양할 것으로 사료된다. 대표적으로 마약 탐지견을 대체하는 마약 탐지 센서이다. 마약 탐지견은 오랜 시간에 걸쳐 강도 높은 훈련 과정을 거쳐 약 30%만 선발되며, 30분의 시간 동안 탐지 후 1시간의 휴식이 필요하다. 지속 탐지가 힘든 점을 감안했을 때, 마약 탐지용 전자코의 경우 지속적인 탐지뿐만 아니라 성능도 우수하기에 각 국에서 대체 여부를 논하고 있다. 미국의 노마딕스 기업은 지뢰 내의 화약물질 냄새를 파악해 탐지할 수 있는 전자 코를 개발했고, 미국항공우주국(NASA)은 우주비행사들의 건강관리를 위해우주정거장 실내 공기 중 인체 유해물질 감지 전자코를 사용하고 있다. 영국 맨체스터대에서는 쓰레기 매립장과 폐수처리시설에서 원격 전자코를 사용해 공기 중에 배출되는 가스를 분석하고, 관련된 정보를 전송하여 해당 지역 대기 위험성을 실시간으로 파악할 수 있게 했다. 영국 페레스 기업은 사람의 후각으로는 가늠하기 힘든 냄새, 휘발성 유기화합물 외 식품 주변 온도, 습도, 암모니아까지 측정이 가능하며, 스마트폰 앱을 통해 누구든 부패도 및 신선도를 확인 할 수 있는 간편한 전자코 기반의 부패 감지 센서를 시판했다. 이와 같이 전자 코는 산업 여러 분야에서 응용되고 있으며, 다양한 산업 및 생활 분야에 대해 무궁무진하게 개발되어 적용될 것으로 전망된다.

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