이택 교수 연구팀, 담수 속 삭시톡신을 고감도로 검출하는 바이오센서 개발

본교 이택 교수(화학공학과) 연구팀과 화학공학과 박정아 석사과정 연구원, 화학과 장홍제 교수팀은 담수에서 삭시톡신 검출을 위한 원형 마이크로 갭 전극에 앱타머/다공성 백금 나노입자가 있는 전기화학 바이오센서를 개발했다.

전 세계적으로 생태계에 혼란을 주는 삭시톡신은 인간이 사용하는 수자원에 부정적인 영향을 미친다. 삭시톡신은 신경 세포 표면에 있는 나트륨 채널의 나트륨 이온 출입구의 작용을 멈추게 한다. 그러면 신경 세포는 자극을 받지 못하게 되고, 그 결과 중독이 된다면 30분 이내에 마비 증상을 일으킨다. 이러한 독성이 번성되면 물고기, 가축의 대량 살상과 담수 자원의 오염으로 이어질 수 있다. 따라서 삭시톡신을 모니터링하는 것은 매우 중요하다.

현재까지 삭시톡신을 검출하기 위해 사용된 대표적인 방법으론 액체 크로마토그래피, 질량 분석법이 있다. 이 방법들은 정확도가 높고 민감한 분석을 가능하게 하지만 전문적인 기술자, 높은 비용, 복잡한 전처리 과정이 요구되어 현장에서 신속한 검출이 불가능하다는 단점이 있다. 삭시톡신을 현장에서 빠르고 정확하게 검출하기 위한 방법이 필요하다. 광운대 화학공학과 이택 교수 연구팀은 전기화학적 측정 방식을 도입하여 현장에서 빠르고 정확하게 검출하고자 하였다. 또한 다공성 백금 나노입자와 앱타머를 결합한 복합체를 바이오센서 플랫폼에 도입하여 삭시톡신 검출을 위한 민감도를 더욱 향상시켰다.

이 논문의 차별성은 바이오센서를 개발하기 위해 전극을 직접 디자인하였으며 작은 면적(1.5cm×1.5cm)으로 총 15번 측정을 가능하게 하였고 소량의 샘플 볼륨(10μL)으로도 측정할 수 있게끔 설계하였다. 따라서 장치의 소형화, 관련 샘플을 쉽게 수집할 수 있음과 동시에 여러 번 측정할 수 있다는 장점들을 실현시켰다. 또한 전극을 원형으로 만들어 전극 간 와이어의 거리를 일정하게 했다. 거리를 일정하게 해 얻을 수 있는 장점은 와이어로 인해 생기는 저항이 일정해지므로 15개 실험 결과들의 오차율을 줄여 전극의 내구성을 높일 수 있다는 것이다. 더불어, 칩 세척을 위한 워싱을 한쪽 방향으로만 할 수 있게 하여 오염 과정도 최소화였다.

전기화학적 신호 증폭 효과를 주었던 다공성 백금 나노입자 앱타머 복합체의 도입은 바이오센서의 감도를 향상시켰으며 4.669 pg/mL의 검출 한계를 가능하게 하였다. 이는 그동안 담수 샘플로 검출 한계를 측정한 첫 번째 경우이기도 하다. 게다가 실제 담수에서도 설계한 바이오센서가 여러 독소들 중 저분자에 해당되는 삭시톡신을 더욱 민감하게 검출할 수 있다는 점에서 우수한 센서로 적용될 수 있음을 시사한다. 따라서 본 연구는 독소 검출에 대한 새로운 플랫폼을 제공했다.

본 연구는 과학기술정보통신부의 연구비 지원 (2021R1C1C1005583)과 한국 환경부의 수생태계 건강 관리 프로그램을 통한 한국환경산업기술원의 지원(2020003030001) 및 산업통상자원부 산업핵심기술개발사업(20009121)으로 수행되어 연구 성과는 ‘Electrochemical Biosensor with Aptamer/porous Platinum Nanoparticle on Round-type Micro-Gap Electrode for Saxitoxin Detection in Fresh Water'의 명칭으로 ELSEVIER 출판의 바이오센서스 앤드 바이오일렉트로닉스 (Biosensors and Bioelectronics, IF : 10.618)에 게재되었다.

<삭시톡신 검출을 위한 원형 마이크로 갭 전극에 앱타머/다공성 백금 나노입자가 있는 전기화학 바이오센서 모식도>

논문 게재 사이트 : https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0956566322003402 Electrochemical biosensor with aptamer/porous platinum nanoparticle on round-type micro-gap electrode for saxitoxin detection in fresh water - ScienceDirect