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광운대 박재영 교수 연구팀, 땀 속 포도당과 젖산 검출 멀티센서 개발

중앙일보

입력

광운대 박재영 교수(전자공학과) 연구팀은 고분자 유연 기판위에 레이저유도 그래핀(LIG)에 코어-쉘 구조를 갖는 하이브리드 나노다공성탄소(H-NPC) 소재를 코팅하여 전기적, 기계적, 화학적 특성이 탁월한 유연 생체전극과 사람의 땀 속 당과 젖산을 검출 및 실시간 모니터링 할 수 있는 고성능의 패치형 바이오센서 개발에 성공하였다. 또한 온도와 pH 보정 센서를 동일한 유연 기판 위에 함께 제작하여 땀 센서의 정확성을 크게 향상시켰다. 연구팀이 개발한 멀티센서 패치는 운동선수의 과학적 스마트 관리를 통한 경기력 향상 및 일반인의 건강관리와 질병예방에도 크게 활용될 것으로 기대된다.

인체의 땀에는 건강 상태 및 질병과 관련된 분자 및 이온, 바이오마커 물질이 많이 포함되어 있기 때문에 비침습적으로 이들을 감지할 수 있는 땀 기반 웨어러블 센서가 최근에 주목을 받고 있다. 현재까지 상용화된 대부분의 웨어러블 의료 및 헬스케어 기기는 혈액, 땀과 같은 생체시료로부터 얻어지는 화학적인 바이오마커를 측정 및 정량화 하기 어렵기 때문에 상대적으로 모니터링하기 쉬운 심박 수, 체온 등의 지표만을 사용하고 있다. 하지만 더 정확하고 상세하게 건강 상태를 측정 및 모니터링하기 위해서는 화학적 지표도 필수적이다. 특히, 신체의 화학적 지표 중 젖산은 혈액과 땀 모두에 존재하며, 산소가 없는 상태에서 포도당이 분해되는 동안 생성되기 때문에 근육의 산소 공급뿐만 아니라 신체 활동의 강도와 근육의 산소 공급 상태를 반영하는 중요한 바이오 마커이다. 따라서 젖산의 농도는 건강 상태를 파악하는데 중요한 지표이며, 실시간 모니터링하면서 과도하게 분비되지 않도록 주의해야 한다. 따라서 스포츠 선수들(여타 육상종목을 포함한)의 경기력 향상에 필요한 주요 생체데이터로 젖산과 글루코스 수치 등을 들 수 있으며, 이러한 주요 생체데이터를 실시간 측정하는 웨어러블 기기 연구개발이 최근 미국, 프랑스, 홍콩, 일본 등에서 활발하게 이루어지고 있다.

전기화학적 바이오센싱은 땀 포도당 및 젖산 검출에 가장 광범위하게 사용되는 방법임에도 불구하고, 최근까지 연구 발표된 센서들은 감도가 낮고 땀에서 예상되는 수준보다 훨씬 낮은 선형 범위의 젖산 검출을 나타냈다. 통상적으로 땀에서의 포도당의 예상 농도범위는 10-200μM이고 땀 젖산은 3.7-50mM 이내로 간주된다. 이러한 맥락에서 젖산 센서에 대한 넓은 선형 범위 응답을 달성하는 것이 바람직합니다. 그리고 땀 기반 포도당 센서는 높은 민감도와 검출한계를 얻는 것이 땀 포도당 수준 정량화를 위해서 중요하다.

본 연구팀은 하이브리드 나노다공성 탄소로 기능화 한 레이저 유도 그래핀(LIG) 전극과 산화환원 매개체(Redox Mediator), 효소, 나노 멤브레인 패키징 기술을 적용하여 땀당, 젖산, pH 수준 및 피부 온도를 동시에 감지할 수 있는 고감도의 멀티세센서 패치를 설계 및 제작하였다.  ZIF-8 및 ZIF-67과 같은 다양한 ZIF(MOF의 하위 계열)를 NPC 합성의 전구체로 사용하였다. 단일 MOF 전구체로 구성된 NPC의 경우 NPC의 질소(N) 함량이 흑연화 중에 극적으로 감소하기 때문에 의도한 기능이 제한이 된다. 따라서 높은 질소(N) 함량과 높은 흑연 구조를 동시에 달성하는 것은 매우 어렵다. ZIF-8에서 파생된 NPC는 비정질 탄소가 더 많이 포함되어 전도성이 좋지 않지만 표면적이 크고 N 함량이 높다. 한편, ZIF-67 유래 NPC는 코발트 나노입자의 촉매 효과에 의한 흑연 구조로 인해 높은 전기 전도성을 나타내지만, ZIF-8 유래 NPC보다 표면적이 적다. 본 연구팀은 두 전구체의 장점만을 활용하기 위하여 하이브리드 코어-쉘 MOF(ZIF-8@ZIF-67) 결정 전구체를 제작하여 전기전도성이 높고 표면적이 넓은 기능화된 나노다공성 탄소(H-NPC) 소재를 성공적으로 개발하였고, 고성능의 멀티센서 제작에 활용하였다. 또한 땀의 pH와 온도를 동시에 측정하여 보정함으로써 땀 당 및 젖산 센서의 정확도를 크게 향상시켰다.

본 연구팀이 개발한 하이브리드 나노다공성 탄소 전극 기반의 땀 당 센서는 생리학적 땀 범위(0~1.5mM) 내에서 0.025μM 검출한계(LOD) 와 82.7μAmM-1cm-2의 우수한 민감도와 선형성을 나타냈다. 또한 젖산 패치센서는 탁월한 선형 측정범위(0 ~ 56mM), 민감도(204 nAmM-1cm-2), 그리고 검출한계(4μΜ)를 나타냈다. 제작된 패치센서는 우수한 재현성, 반복성, 선택성, 그리고 인공 땀과 실제 인체 땀 샘플 모두에서 안정적인 성능을 나타냈다. 따라서 개발된 땀 멀티센서 패치는 초소형 센서신호처리 및 블루투스 통신 PCB 회로, MCU, 스마트폰 앱과 연동하여 언제 어디서나 운동선수의 경기력 향상을 위한 스마트 관리뿐만 아니라 건강상태 모니터링과 질병을 예방하는데 폭 넓게 활용될 것으로 기대된다.
한편, 이번 연구는 한국산업기술평가관리원 산업기술혁신사업 (20000773, 비혈액기반 대사증후군 모니터링용 패치형 나노멀티센서 혁신기술 개발)과 산업통상자원부의 산업기술혁신사업(RS-2022-00154983, 저전력 센서와 구동을 위한 자립형전원 센서 플랫폼 개발)의 지원으로 수행되었고, 엘스비어(Elsevier) 출판사의 바이오 센서 분야 세계 최고 국제 SCI 저널인 바이오센서&바이오일렉트로닉스 저널(IF:12.545)에 게재되었다.

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