[뉴스스페이스=조일섭 기자] 성균관대학교(총장 유지범) 바이오메카트로닉스학과 박진성 교수 연구팀은 고려대 나성수 교수, 금오공대 류준석 교수 연구팀과 공동으로 세계 최초 DNA 염기서열을 최적화하고 이중 커피링 농축 기술을 이용해 식품 속 독성 중금속(수은) 이온의 초고민감도 검출에 성공했다. 

연구팀은 이 같은 내용(논문명 : Highly enhanced Hg2+ detection using optimized DNA and a double coffee ring effect-based SERS map)을 저명한 분석화학분야 국제학술지 바이오센서스 앤 바이오일렉트로닉스(Biosensors and Bioelectronics)에 게재했다. 커피링(coffee ring) 효과란 커피를 테이블에 흘리면 가장자리에 커피가루가 진하게 남는 현상. 커피 방울의 가장자리와 안쪽의 증발속도 차이로 인해 입자들이 가장자리로 농축되어 나타나는 것을 말한다.

수은은 아말감 합금 및 디스플레이 소재 등에서 광범위하게 사용되는 물질이나, 인체에 노출되면 중추신경계 마비와 폐 손상을 유발할 수 있는 위험한 독성 물질이다. 수은은 특히 화산 폭발과 같은 자연현상이나 발전소 등에서 배출된 증기가 비를 통해 이동하며 해양 생태계에 축적되고 있다.

이런 이유로 먹이사슬 상위에 있는 참치와 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 매우 중요하다.

공동연구팀은 기존의 DNA 기반 수은 이온 검출 센서가 가지고 있던 한계를 극복하기 위해 새로운 접근법을 도입했다. 기존 센서들은 DNA 염기서열을 티민으로만 구성해 수은 이온과의 결합 효율을 높이려 했으나, 오히려 DNA 간의 반발력이 크게 작용해 효율이 떨어지는 문제가 있었다.

이를 해결하기 위해 연구팀은 수은 이온과 결합 효율이 우수한 DNA 염기서열을 최적화했다. 이 과정에서 연구팀은 PCR-melting curve를 사용하여 DNA와 수은 이온 간의 결합 효율을 극대화할 수 있는 서열을 선정하는 데 성공했다. 또한, 연구팀은 이중 커피링 효과를 적용해 센서의 민감도를 크게 향상했다. 커피링 효과를 응용해 수은 이온과 최적화된 DNA가 센서의 가장자리로 농축되도록 함으로써 결합 효율을 더욱 높였다.

연구팀은 특정 단일파장의 광원을 분석 시료에 조사하여 결합 상태에 따른 진동 에너지의 변화를 고유한 스펙트럼으로 확인하는 라만 분광 기술을 사용하였다. 특히 라만 신호를 극대화하기 위해 표면증강라만산란(Surface Enhanced Raman Scattering, SERS)을 적용하였고, 이는 분석 물질이 흡착된 기판의 나노 구조에 따라 성능이 결정된다. 이를 위해 연구팀은 바이메탈 나노 기둥 형태를 제작하여 SERS 기판으로 사용하였고 SERS 기판 위에 DNA를 고정해 수은 이온을 민감하게 검출하였다.

바이메탈이란 서로 다른 2가지 종류의 접합된 금속 소재 조합을 의미함. 바이메탈 나노소재는 SERS 효과가 증가하는 것으로 알려져 있다.

연구팀은 최적화된 SERS 센서를 이용해 증류수에서는 극저농도인 208.7fM (femto molar, 10-15 M) 농도까지 검출하였고, 실제 수돗물과 식수에서는 각각 553.2fM, 950.2fM까지 검출가능하였다. 또한 참치캔과 참치회 추출물에서는 각각 9.9nM(nano molar, 10-9 M), 79.1nM 농도의 수은을 성공적으로 검출하였다.

교신저자인 성균관대 박진성 교수는 “이번 연구에서 제안한 센서 기술은 DNA 서열 최적화와 커피링 농축 기술을 결합해 고민감도 SERS 센서의 원천기술을 제시한 것”이라며, “이 기술은 앞으로 독성 물질 검출뿐만 아니라, DNA 기반 바이오센서와 헬스케어 분야에서도 널리 활용될 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

이 연구는 한국연구재단(중견연구, 바이오의료기술개발사업, 창의·도전연구기반지원사업)과 고려대학교의 지원을 받아 진행되었다.