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나노캡슐 통해 환경 유해물질 실시간 모니터링 가능해진다
생명과학 한국생명공학연구원 (2020-02-19)

한국생명공학연구원과 연세대학교는 공동연구를 통해, 단일 광원을 이용하여 서로 정반대의 방향으로 방출되는 두 종류의 빛을 이용하여, 유해물질의 실시간 모니터링과 동시에 유해물질의 위치 추적이 가능한 나노캡슐 기술을 개발 하는데 성공했다고 밝혔다.

생명연 감염병연구센터 권오석 박사팀(교신저자: 권오석 박사, 제1저자: 박철순 박사, 서성은 학생)이 수행한 이번 연구는 과학기술정보통신부, 한국연구재단이 추진하는 미래선도기술개발사업, 휴먼플러스융합연구개발 챌린지사업, 한국환경산업기술원이 추진하는 안심 살생물제 관리기반 기술개발사업의 지원으로 수행되었고, 영국왕립화학회(Royal Society of Chemistry:RSC) 학술지 Journal of Materials Chemistry A (재료화학회지A, IF 10.733) 1월 28일자(한국시각 1월 29일) 온라인 판에 게재되었다.
     (논문명 : Single-Photon-Driven Up-/Downconversion Nanohybrids for In vivo Mercury Detection and Real-time Tracking)

이번 연구결과에서는 빛의 전체 파장영역 중에서 빨간색 빛(낮은 에너지, 높은 파장)을 받아 파란색 빛(높은 에너지, 낮은 파장)을 방출할 수 있는 ‘상향변환(Upconversion)’ 나노캡슐에, 이와는 반대로 파란색 빛(높은 에너지, 낮은 파장)을 받아 빨간 색 빛(낮은 에너지, 높은 파장)을 방출하는 ‘하향변환(Downconversion)’ 이 가능한 수은에 선택적으로 반응하는 형광물질을 결합하여, 나노캡슐의 위치 추적과 유해물질 모니터링이 동시에 가능한 기술을 개발했다고 밝혔다.

상향변환 나노캡슐은 다른 종류의 형광 염료를 선택하면 하나의 빛으로도 다양한 색의 형광 방출이 가능하다.

이러한 원리를 이용하여 나노캡슐 표면에 유해물질과 같은 표적을 선별적으로 검출할 수 있는 형광 화합물을 부착하여 홍합과 같은 갑각류에 주사한 뒤, 빛을 쏘여 촬영하면 현장에서 바로 유해물질이 축적된 위치와 타겟 물질의 양이 동시에 이미징이 가능해진다.

특히, 이번에 개발한 소재는 세계최초 단일 광원을 이용하였을 때, 동시다발적인 발광이 가능한 시스템이며, 이는 기존 검출기의 단점**을 극복할 수 있다.

  ** 기존의 광학 기반의 유해물질 모니터링 기술은 주사한 탐침(특정 물질을 탐색하기 위해 만든 물질)의 위치 추적이 힘들어 탐침이 고르게 분포되어 있다는 가정 하에 유해물질의 양을 측정했다는 한계를 가지고 있었다.

연구팀은 단일 광원을 나노캡슐에 쏘였을 때, 나오는 두 종 이상의 발광된 빛을 활용하여 기존 검출기의 단점을 극복하고, 샘플의 모든 부위에 나노캡슐이 고르게 분포되어 있다는 것을 확인함과  동시에 유해물질의 농도 측정이 가능한 기술개발을 성공하였다.

연구책임자인 권오석 박사는 “이번에 개발된 신소재 제조기술은 국민들이 우려하는 환경·질환적 위해요소들을 현장에서 손쉽게 검출할 수 있는 소형 진단기기용 소재로 활용이 가능할 것으로 기대된다”고 밝혔다.


연   구   결   과   개   요

□ 연구배경
○ 태양광의 전체 파장 중에서 낮은 파장의 빛(높은 에너지, 파란색 계열)들은 사용되지만 높은 파장의 빛(낮은 에너지, 빨간색 계열)은 쓰임새가 많지 않아 버려지게 된다. 태양광의 사용효율을 더 증가시키기 위해서는 낮은 에너지를 갖는 빛을 상향변환을 통해 에너지를 증폭시키는 기술이 필요하다.
○ 유해물질을 검출하기 위한 기술로는 광학, 전기화학, 물리적으로 다양한 방법들이 존재하지만 기존의 방법들로는 용액 속의 유해물질의 양은 측정이 가능하지만, 생물체 내에 축적된 물질을 측정하는 경우에는 정확히 어느 부위에 축적이 되어 있는지는 확인이 불가능했다.

□ 연구내용
○ 연구팀은 기존에 개발된 상향변환(Upconversion) 나노캡슐에 형광물질을 결합하여 캡슐의 위치 추적과 함께, 유해물질이 축적된 양을 동시에 측정할 수 있는 센서를 개발하였다.
○ 다중 발광 나노캡슐은 단 하나의 광원을 사용함에도 불구하고 2종류의 다른 파장대 영역의 빛을 방출함으로써 동시에 다양한 기능을 발현할 수 있다. 첫 번째로 방출되는 나노캡슐의 내부에서 나오는 상향변환(Upconversion)된 빛으로부터 나노캡슐이 분포되어 있는 위치의 추적이 가능하며, 두 번째로 외부에 결합된 형광물질로부터 나오는 하향변환(Downconversion)된 빛을 통해서 유해물질이 축적된 양을 확인할 수 있다.

□ 연구성과의 의미
▶ 상향변환 나노캡슐의 확장된 활용성 : 다중 발광을 통해 유해물질 모니터링 센서 개발
○ 본 연구의 다중 발광 나노캡슐은 기존의 유해물질 검출 센서의 한계(False negative signal)를 최소화함으로써, 유해물질의 농도 검출과 동시에 나노캡슐의 분포 위치 파악이 가능하다. 이는 후에 다양한 질병 유도 인자와의 결합을 통해 질병의 전이 여부 및 감염병 진단 관련 연구뿐만 아니라 환경 유해물질에 선택적으로 반응할 수 있는 형광 물질과의 결합을 통해 환경 모니터링 센서 연구에도 활용가치가 클 것으로 예상된다.

연 구 결 과  문 답

이번 성과 뭐가 다른가

본 연구진에 의해서 다중 발광 나노캡슐을 제조하고 이를 이용하여 생물체 내의 인체 유해물질을 측정하는 동시에 사용한 탐침의 위치를 모니터링하는 데 성공하였다. 타겟 물질의 농도만 측정이 가능했던 기존의 광학 기반의 모니터링 시스템에서 탐침의 위치가 정확히 파악되지 않아 발생하는 “거짓 부정 신호”를 최소화하였다.

어디에 쓸 수 있나

이번 연구 결과는 단일광을 이용하여 동시에 2가지 기능을 갖는 나노물질을 제작하였으며, 사용하는 염료의 종류만 다르게 함으로써, 다양한 타겟 물질을 한꺼번에 측정이 가능하다. 이는 I) 생체 내 유해물질 진단 ii) 유해물질의 이동 모니터링 등에 응용될 수 있다.

실용화까지 필요한 시간은

본 연구결과는 생체 내 유해물질의 측정과 모니터링의 가능성을 제시하는 기초연구로서, 흡수 파장대를 공유하는 유기 염료 물질 쌍의 발굴 등에 따라 실용화 소요시간이 결정될 것이다.

실용화를 위한 과제는

본 연구는 샹향변환 원리를 응용하여 조직 투과율이 높으며, 기존의 하향변환물질과의 결합을 통해 다기능의 상향변환캡슐을 개발하였다는 데 큰 의미가 있다. 유해물질 측정 및 모니터링 소재로서의 상용화를 위해서는 상향변환의 효율을 더 높이는 연구가 진행되어야 한다고 생각된다.

연구를 시작한 계기는

본 연구진(생명연 권오석 박사, 연세대학교 김형일 교수)는 지금까지 나노소재와 환경 유해물질 측정 센서의 융합을 통해 고성능 환경 모니터링 센서를 개발해왔다. 최근 환경 문제에 대한 관심이 높아짐에 따라서 공동연구를 시작하였으며, 저독성의 상향변환 나노캡슐을 제조(생명연 권오석 박사, 연세대학교 김형일 교수, 예일대 김재홍 교수)하고 이를 질병의 진단 등에 응용한 결과, 다양한 분야로의 높은 적용 가능성을 발견하여 활용 분야를 확장, 환경에까지 접목할 수 있었다. 이는 다양한 분야의 융복합 연구가 아니었다면, 실현 될 수 없는 획기적인 기술로 사료된다.

에피소드가 있다면

세계 최초 기술개발은 어떠한 참고문헌도 없어, 이를 증명하는데 2년의 시간이 소요되었습니다. 특히, 본 논문 게재를 위해서 많은 저널에 지원하였지만, 5번의 고비를 겪고 나서 6번째 저널에 게재할 수가 있었습니다. 그 과정에서 심사자들을 설득하고 이해시키는데 많은 어려움이 있었지만, 확장된 연구주제를 찾을 수가 있었습니다.

꼭 이루고 싶은 목표는

다기능의 나노캡슐에 형광물질을 결합하여 환경 모니터링 센서로서의 가능성을 제시하였으므로, 이를 더욱 확장하여 더욱 많은 수중 오염물질을 표적으로 하는 센서를 개발하는 것이다.

신진연구자를 위한 한마디

국민과 정부가 요구하는 실 생활에 유용한 물질을 개발할 수 있다는 자부심을 갖고 연구했으면 합니다. 또한, 융복합 연구를 위한 다양한 교류를 통하여 새로운 응용 분야를 개발에 힘쓰기를 응원합니다.

동시 다발적 발광을 통한 유해물질 모니터링 시스템 개요도
그림 1. 동시 다발적 발광을 통한 유해물질 모니터링 시스템 개요도.
(왼쪽) 표면 개질된 에너지 상향변환 나노캡슐의 전체적인 반응 메커니즘 모식도
(오른쪽) 나노캡슐 표면에 결합된 형광물질의 수은과의 반응 후 구조 변화 및 발광 파장 영역. 

에너지 상향변환 나노캡슐의 주사 전자현미경 이미지(좌)와 투과 전자현미경 이미지(우
그림 2. 에너지 상향변환 나노캡슐의 주사 전자현미경 이미지(좌)와 투과 전자현미경 이미지(우).

에너지 상향변환 나노캡슐의 표면에 기능화된 형광물질의 수은과의 선택적 반응으로 일어나는 구조 변화
그림 3. 에너지 상향변환 나노캡슐의 표면에 기능화된 형광물질의 수은과의 선택적 반응으로 일어나는 구조 변화(좌), 홍합 내에서 형광물질이 수은과 반응하여 발광하는 공초점 레이저 주사 현미경 이미지 (우).

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