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호흡으로 질병 진단하는 센서 개발

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2017년 07월 18일 18:00 프린트하기

KAIST 신소재공학과 김일두 교수 연구팀이 동물 단백질을 촉매로 활용, 호흡으로 질병을 진단할 수 있는 센서를 개발했다고 18일 밝혔다.

 

사람의 날숨에 포함된 각종 가스를 분석해 병에 걸렸는지 모니터링 하는 기술이다. 사람이 내뱉는 숨에는 수소, 아세톤, 톨루엔, 암모니아, 황화수소 등이 섞여 있는데, 이들 가스의 농도는 천식, 폐암, 당뇨병 등의 병에 걸렸는지 판정하는 바이오마커 역할을 한다.

 

바이오마커 가스 센서 모듈을 스마트폰에 적용한 모습 (왼쪽)과 생체지표 기체 3종(아세톤, 톨루엔, 황화수소)을 패턴 인식으로 구별한 결과 (오른쪽) - KAIST 제공
바이오마커 가스 센서 모듈을 스마트폰에 적용한 모습 (왼쪽)과 생체지표 기체 3종(아세톤, 톨루엔, 황화수소)을 패턴 인식으로 구별한 결과 (오른쪽) - KAIST 제공

음주측정기처럼 호흡만으로 질병 여부를 파악하는 센서 기술은 혈액 체취나 영상 촬영 없이 빠르고 간편하게 진단할 수 있지만, 극히 경미한 수준의 바이오마커 가스를 정확히 검출해 분석하기 어렵다는 문제가 있다.  가스 농도가 수 ppb(10억분의 1을 나타내는 단위)에서 수 ppm(100만분의 1) 수준에 불과하고, 수백가지 종류의 다른 가스 중 원하는 가스만 선택적으로 분석해야 하기 때문이다.

 

연구팀은 가스를 감지하는 센서의 성능을 높이기 위해 동물 조직의 단백질을 활용해 이종촉매 입자를 합성했다. 2㎚ 크기 단백질로 주기율표의 원소 물질을 조합해 어떤 형태의 이중촉매도 다양하게 구현할 수 있다.  연구팀은 개발된 이종촉매 입자를 넓은 비표면적과 다공성 구조를 갖는 금속산화물 나노섬유에 결착시켜 특정 생체지표 기체에만 선택적으로 반응하는 감지소재를 개발했다.

 

이종촉매가 결착된 나노섬유 센서는 기존 백금이나 팔라듐 촉매보다 3~4배 이상 감지 특성이 향상됐다. 아세톤이나 황화수소 가스는 1ppm에서 감도가 100배 수준으로 올랐다.

 

연구팀은 사람의 지문을 인식하듯 날숨 속 가스 정보를 패턴화해 누구나 쉽게 건강 상태를 상시 모니터링하고 문제를 판별할 수 있는 질병진단 플랫폼도 개발했다. 김 교수는 “이종촉매를 단백질을 이용해 적용함으로써 질병과 연관된 생체지표 가스에 고감도 및 고선택성으로 반응하는 센서소재 라이브러리를 구현할 수 있다”며 “앞으로 다양한 촉매군을 확보하면 수많은 질병을 진단할 수 있는 센서를 개발할 수 있다”고 말했다.

 

이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘어카운트 오브 케미컬 리서치’ (Account of Cenmical Research) 7월호 표지 논문으로 선정됐다.


한세희 기자

hahn@donga.com

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