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초분자화학 기반 고감도 휴대용 마약 센서 개발

기사승인 2017.10.07  07:33:05

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- 필로폰 등 암페타민 계열 마약 감지, 기존 분석기보다 만 배 정밀

   
▲ 쿠커비투[7]릴 속에 암페타민(왼쪽)과 필로폰(오른쪽) 분자가 들어와 결합한 결정 구조
암페타민과 필로폰이 각각 쿠커비투[7]릴에 결합한 분자 구조로, 연구진은 엑스선(X-ray) 결정구조분석으로 이를 확인했다. 각각의 분자가 쿠커비투[7]릴 분자에 들어가 단단히 고정돼 있음을 확인할 수 있다. 암페타민과 필로폰은 눈에 띄게 표현했으며, 각각의 색깔이 나타내는 원소는 다음과 같다. 파랑 : 질소, 빨강 : 산소, 회색 : 탄소, 흰색 : 수소
   
▲ 암페타민 계열 마약 검출용 무선 센서의 구성 사진(왼쪽) 및 스마트밴드 타입으로 제작된 휴대용 센서(오른쪽)
(왼쪽)마약 센서는 쿠커비투[7]릴이 코팅된 유기반도체 소자와 충전지 및 무선 안테나가 포함된 인쇄회로기판으로 구성된다. 스마트폰 어플리케이션을 통해 마약 검출 센서의 신호를 실시간으로 확인할 수 있다. (오른쪽)좌측의 센서 구성품들을 스마트밴드 타입으로 제작했으며, 현장에서도 샘플 한 방울로 실시간 검출이 가능하다.
   
▲ 암페타민 계열 마약 센서의 작동 원리 도식화
유기반도체 소자 표면에 암페타민 계열 마약을 선택적으로 감지하는 쿠커비투[7]릴 분자가 코팅돼 있고, 이 분자와 마약이 결합해 생긴 전류변화가 안테나를 통해 외부 장치로 전달됨을 도식화했다.
암페타민 계열 마약은 강력한 중추신경 흥분제로 합성이 쉽고 저렴해 불법 유통이 늘고 있다. 최근 주의력결핍과잉행동장애(ADHD) 치료제인 ‘애더럴’은 국내 판매 허가가 나지 않았음에도 집중력을 높이는 약으로 알려져 운동선수부터 수험생에 이르기까지 사회 전반에 침투하고 있다.

현재 마약 검출은 면역분석기나 질량분석기 등의 값비싼 대형 장비가 동원된다. 정확도가 높지만 전처리 과정이 복잡하고 결과를 얻는데 수시간에서 하루 이상 소요된다. 휴대용 마약 분석기는 1ppm 이하의 농도는 검출이 어렵다.

기초과학연구원(IBS) 복잡계 자기조립 연구단(단장 김기문) 연구진과 포스텍 화학공학과 오준학 교수 연구진은 극미량의 샘플로도 암페타민 계열의 마약을 검출하는 고감도 휴대용 마약 검출 센서(이하 마약 센서)를 개발했다. 상용화로 이어질 경우 음주단속처럼 간단하게 마약 단속이 이뤄질 전망이다.

마약 센서는 소변이나 땀 또는 침 한 방울이면 초미량의 마약을 신속하고 정확하게 검출한다. 센서의 크기는 1.5㎝×3.5㎝(가로×세로)에 불과하며, 휴대가 간편한 스마트밴드 형태로도 만들었다. 스마트폰과 연동해 검출 결과를 실시간으로 확인할 수 있다.

연구진은 유기반도체 소자에 분자인지를 적용하는 획기적인 방법을 고안했다. 유기반도체 소자 표면에 암페타민 계열 마약 분자를 선택적으로 인지하는 쿠커비투[7]릴(cucurbit[7]uril, 이하 쿠커비투릴)의 분자층을 3~4겹 코팅하는 방식이다. 만약 암페타민 분자가 쿠커비투릴과 결합하면, 쿠커비투릴의 전하 배치가 미세하게 바뀐다. 반도체 소자는 이에 민감하게 반응해 전기 신호를 내보내며, 신호의 세기는 암페타민 분자의 농도에 비례한다.

마약 센서의 민감도는 물의 경우 0.1ppt, 소변의 경우 0.1ppb의 농도로 기존 휴대용 분석기가 소변에 반응하는 것보다 만 배 이상 높다. 분자인지에 기반해 필로폰이나 엑스터시와 같은 암페타민 계열 마약은 모두 검출한다. 화학구조를 일부 변형시킨 변종마약에도 빠르게 대응해 맞춤형 센서를 제작하기 쉽다. 연구진은 이 연구로 확보한 기술로 환경호르몬이나 독성·위험 물질을 감지하는 센서 제작에 나설 예정이다.

김기문 IBS 복잡계 자기조립 연구단 연구단장은 “마약 검출 방식의 패러다임을 바꿀 연구결과로 학계를 넘어 사회 전반에 영향을 미칠 것으로 보인다”고 말했다.

공동교신저자인 오준학 포스텍 교수는 “수용액 환경에서도 안정적으로 전기가 흐르는 유기 트랜지스터와 분자인지의 완벽한 결합으로 고감도 마약 센서 제조 원천기술을 확보했다”고 밝혔다.

연구는 IBS와 과학기술정보통신부 글로벌프론티어사업 ‘나노기반 소프트일렉트로닉스 연구단’의 지원으로 수행됐으며, 연구 결과는 국제학술지 Cell의 자매지인 Chem 온라인판에 우리 시간 9월 29일에 논문명 ‘Rapid Point-of-Use Detection of Amphetamine-Type Stimulants with Host Molecule Functionalized Organic Transistors’, Yoonjung Jang, Moonjeong Jang, Hyoeun Kim, Sang Jin Lee, Eunyeong Jin, Jin Young Koo, In-Chul Hwang, Yonghwi Kim, Young Ho Ko, Ilha Hwang, Joon Hak Oh, Kimoon Kim 등으로 공개됐다.

조충연 기자 dw@doctorw.co.kr

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