- 황 도핑 탄소점으로 고가 장비‧복잡한 전처리 없이 생체 내 구리 이온 농도 실시간 감지

- 마이크로 및 나노 분야 유명 국제학술지 ‘Small (IF=13.0)’ 에 연구 성과 게재

△  황 도핑 탄소점(S_HICA)을 이용한 구리 이온 검출 개념도

  가톨릭대학교 바이오메디컬화학공학과 나건‧강민호 교수 연구팀이 한양대학교 신소재공학과 정현도 교수와 공동으로 ‘황 도핑 탄소점’을 활용해 생체 내 구리 이온 농도를 효과적으로 감지하는 기술을 개발했다.

  이번 연구 성과는 마이크로 및 나노 분야 유명 국제학술지인 ‘Small (IF=13.0)’에 게재됐으며, 가톨릭대 바이오메디컬화학공학과 나건 교수, 강민호 교수, 한양대 신소재공학과 정현도 교수가 공동교신저자로, 가톨릭대 생명공학과 진민영 박사과정생이 제1저자로 참여했다.

  체내에 축적된 구리 이온은 농도에 따라 윌슨병, 멘케스 증후군, 파킨슨병 등 다양한 질환을 유발할 수 있어 이를 정밀하게 감지하는 것이 중요하다. 기존의 구리 이온 감지 방식은 전처리 과정이 복잡하고, 측정 소요 시간과 비용이 크며, 다른 물질에 의한 간섭 문제가 발생하는 등 여러 한계점이 존재한다.

  이를 해결하기 위해 연구팀은 구리 이온을 특이적으로 인식하고 높은 감도를 가진 나노소재 ‘황 도핑 탄소점(Sulfur-doped carbon dots, S_HICA)’을 개발했다. 탄소점은 나노 크기의 탄소 기반 물질로, 형광 특성이 우수하고 생체적합성이 높아 바이오 분야에서의 잠재적 활용성이 매우 높다. 연구팀이 개발한 황 도핑 탄소점은 형광 세기의 변화에 따라 구리 이온 농도 측정이 가능하고, 마이크로웨이브 합성법을 통해 쉽게 제조할 수 있으며, 넓은 pH 범위(1-11)와 광범위한 온도(20-80℃) 내에서도 신뢰성 높은 결과를 제공한다.

  연구 결과, 개발된 탄소점은 형광 효율이 높고 구리 이온과의 반응 시간이 짧아 세포, 혈액, 동물 모델 등 다양한 생체 환경에서 실시간 구리 이온 측정이 가능함을 확인했다. 또한, 탄소점이 구리 이온과 결합해 복합체를 형성하면서 탄소점의 형광 세기가 감소하는 정적 소광(Static quenching) 현상이 나타남을 초저온투과전자현미경 등의 고성능장비를 통해 규명했다.

  가톨릭대 바이오메디컬화학공학과 나건 교수는 “이번 연구를 통해 기존의 고가 장비와 복잡한 전처리 과정을 대체할 수 있는 간편하고 빠른 진단 수단을 제시하게 됐다”며 “구리 이온 감지 기술의 상용화와 다양한 응용 분야에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.”고 밝혔다.

(그림1) 나노 크기의 황 도핑 탄소점이 구리 이온과 복합체를 형성하면서 탄소점의 형광 세기가 감소하는 형광의 정적 소광 현상을 보여준다.

이를 활용하면 체내 구리가 축적된 장기 또는 혈액에서 구리 이온을 신속하게 감지할 수 있어 구리 대사 이상 질환 진단 등 폭넓은 분야에 적용할 수 있다.

(그림2) 황 도핑 탄소점(S_HICA)을 이용한 세포, 혈액, 동물 모델 내 구리 이온 검출 실험.

구리 이온 농도에 따라 탄소점의 형광 세기가 점진적으로 감소하는 현상을 세포, 혈액, 동물 모델 내에서 확인했다.

특히 동물 모델 내에서도 형광 분포를 확인할 수 있어 실시간 구리 이온 검출 가능성을 보여준다.