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영국왕립화학회에서 발간하는 저널인 랩온어칩(Lab on a chip)에 UNIST 강주헌 교수가 ‘이머징 인베스티게이터(Emerging Investigator)’로 선정돼 소개됐다. 이머징 인베스티케이터는 박사학위 수여 10년 이내의 독립적인 연구를 수행하는 전도유망한 신진연구자 중 우수한 성과를 이룬 사람에게 수여되며, 올해 특집 테마로 2019년 선정된 이머징 인베스티게이터 26명의 논문을 발표하게 된다. UNIST 생명과학부 강주헌 교수팀은 이번 발표를 통해 미세유체 제어 기술을 기반으로 자기적 성질을 띠는 용액의 자화율을 쉽고 정확하게 측정하는 기술을 개발했다고 발표했다. 강주헌 교수는 “최근 자성을 띠는 나노 물질이 다양한 질병의 진단이나 약물 전달, 혈액에서 병원성 물질 제거 등에 폭넓게 활용되고 있다”며 “체내에 주입된 용액의 자화율을 쉽고 싸게 측정하는 기술은 자성 나노 물질을 이용한 진단과 치료 기술 개발에 도움이 될 것”이라고 밝혔다. 자화율은 외부에서 자기장이 주어졌을 때 물질 내부의 구성요소가 N극과 S극으로 나눠지는 정도를 나타내는 값이다. 어떤 구성요소로 이뤄졌는지에 따라 값이 달라지므로 자화율을 측정하면, 불순물 여부나 환경오염 정도도 알아낼 수 있다. 하지만 자화율 측정 장비인 초전도 양자간섭계(SQUID) 등이 초고가인 데다, 이런 기술을 써도 자성 용액의 농도가 낮으면 정확한 측정이 어려웠다. |
강주헌 교수팀은 미량의 용액을 흘릴 수 있는 ‘미세유체 칩(Chip)’에 강화된 영구자석들을 배치시킨 채널을 만들었다. 그런 다음 자성을 띠는 용액이 섞여 있는 반자성 폴리스티렌 (Polystyrene) 입자들의 움직임을 관찰해 용액의 자화율을 알아냈다. 연구팀은 실제 MRI 조영제로 쓰이는 나노 자성입자(SPIONs) 용액과 MRI 조영제(Gd-DTPA)용액의 자화율을 여러 농도 조건에서 정확히 측정해냈다. 이는 기존 초전도 양자간섭계(SQUID)를 이용한 방법으로는 측정하기 어려운 낮은 농도에서도 자성 용액의 자화율을 측정할 수 있음을 보여준 것이다. |
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공동 제1저자인 장봉환 UNIST 생명과학부 연구원은 “저비용으로 구축이 가능하며 휴대성을 갖추고 있어 자성 용액의 자화율을 측정하는 다양한 분야에 응용 가능할 것”이라고 전했다. 또 다른 1저자인 권세용 UNIST 생명과학부 연구원은 “이 기술을 응용하면 산화철(FeO)이나 니켈(Ni) 같은 금속에 의한 수질오염도 저비용으로 간단하게 측정 가능할 것”이라고 전망했다. 이번 연구는 영국왕립학회에서 발간하는 권위지, ‘랩온어칩(Lab on a chip)’ 7월 7일자로 출판됐다. 연구 수행은 과학기술정보통신부의 차세대의료기기플랫폼기술개발사업과 삼성전자미래기술육성센터의 지원으로 이뤄졌다. 논문명: Measuring magnetic susceptibility of subtle paramagnetic solution using diamagnetic repulsion of polymer microparticles |
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[붙임] 연구결과 개요 |
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1. 연구배경 자화율(Magnetic susceptibility, 磁化率)이란 물질의 자기(Magnetism, 磁氣) 분극의 정도를 나타내는 물질 고유의 성질을 나타내는 값이다. 자화율은 보통 물질을 구성하는 요소들에 의해서 결정되며 이 값을 측정하면 구성요소의 변화와 불순물 여부, 오염 정도까지 알아낼 수 있다. 외부에 자기장이 있으면 자기적 성질을 가지고, 그 자기장이 사라지면 자기적 성질을 잃는 것을 상자성(Paramagnetism, 常磁性)이라 한다. 이런 성질을 가진 용액, 즉 상자성 용액의 자화율을 측정하려면 SQUID(Superconducting QUantum Interference Device), VSM(Vibrating-Sample Magnetometer), NMR(Nuclear Magnetic Resonance) 등의 비싼 장비를 이용해야 한다. 하지만 이런 장비를 써도 농도가 낮은 상자성 용액의 자화율은 정확하게 측정하기 어렵다. 이번 연구에서는 미세유체 제어 기술을 기반으로 저농도 상자성 용액의 자화율을 쉽고 정확하게 측정할 방법을 개발했다. 이 기술에는 강화된 영구자석과 반자성(Diamagnetism, 反磁性) 마이크로 입자가 이용됐다. 반자성은 자기장에 대한 물질의 약한 반발력을 뜻하는데, 외부 자기장이 주어지면 확인되는 성질이다.
2. 연구내용 상자성 용액에 섞여 있는 반자성 폴리스티렌(Polystyrene) 마이크로 입자들은 자기장이 주어지면, 자석과 멀어지는 방향으로 밀려난다.(자기장에 의해 생성되는 자속 밀도 구배의 영향) 이때 폴리스티렌 마이크로입자들이 밀려나는 속도(Diamagnetic repelling velocity)는 입자와 주변 상자성 용액의 자화율 차이에 비례한다. 폴리스티렌 입자의 자화율은 고정돼 있기에, 이 입자들이 밀려나는 속도를 측정하면 역으로 상자성 용액의 자화율을 구할 수 있다. 이번 연구에서는 MRI 조영제로 많이 쓰는 SPION(SuPerparamagnetic Iron Oxide Nanoparticles) 용액과 Gd-DTPA(Gadolinium-DieThylenetriamine Pentaacetic Acid) 용액의 농도에 (자석에 영향을 받은)폴리스티렌 마이크로 입자들이 밀려나는 속도가 비례한다는 것을 확인했다. 이를 이용해 상자성 용액들의 농도에 따른 자화율을 구하고, 기존의 SQUID 방법으로는 측정이 불가능했던 낮은 농도 구간에서도 자화율 측정이 가능하다는 것을 확인했다.
3. 기대효과 최근 자성 나노입자를 이용한 생체유체의 진단과 치료에 관련된 연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만 이러한 자성 나노입자들이 혈액 등 생체유체에 잔류할 경우 문제가 될 수 있다. 이번에 개발한 기술은 자성 나노입자들이 생체유체에 잔류하는지 여부를 확인하는 플랫폼으로 활용 가능해 자성 나노입자를 이용한 진단과 치료 기술 연구에 도움을 줄 것으로 기대된다. 또 아주 미량의 상자성 용액에서도 자화율 측정이 가능해 환경오염 평가에도 응용할 수 있을 것으로 보인다. 물속에 산화철(Iron oxide)이나 니켈(Nikel) 등의 금속이 녹아 있다면, 이 기술을 적용한 플랫폼을 활용해 수질오염 여부를 간단하게 측정할 수 있을 전망이다. |
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[붙임] 그림설명 |
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그림1. 미세유체 채널에 자석을 배치해 폴리스티렌 입자의 속도를 측정하는 플랫폼 : 하나의 직선 미세유체 채널에 폴리스티렌 입자들이 섞인 상자성 용액을 채워 넣고 자속 밀도 구배를 형성하고 나서 이동하는 폴리스티렌 입자의 속도를 측정했다.
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그림2. SQUID와 새로운 플랫폼으로 측정한 상자성 용액의 농도에 따른 자화율 그래프 : (왼쪽) SPION 용액의 경우 기존의 SQUID와 새로운 플랫폼 둘 다 자화율 측정이 잘 된다. (오른쪽) 상대적으로 낮은 자화율의 Gd-DTPA 용액의 경우 기존의 SQUID로는 자화율 측정이 불가능하였지만, 새로운 플랫폼으로는 자화율 측정이 가능하다. |
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![[그림 2] SQUID와 새로운 플랫폼으로 측정한 상자성 용액의 농도에 따른 자화율 그래프](https://news.unist.ac.kr/kor/wp-content/uploads/2019/07/그림-2-SQUID와-새로운-플랫폼으로-측정한-상자성-용액의-농도에-따른-자화율-그래프-1.png)
