호흡 속 가스 분석해 질병 진단하는 센서 개발

고려대 첨단소재부품개발연구소 연구팀

좌측부터 김상훈 박사과정 연구원, 문영국 선임연구원, 정성용 교수. 고려대 제공

사람이 내쉬는 호흡 속 가스를 분석해 질병을 진단할 수 있는 센서가 개발됐다. 

고려대는 정성용 첨단소재부품개발연구소 교수 연구팀이 팔라듐 촉매가 첨가된 다공성의 산화주석을 이용해 대표적인 생체지표 가스(바이오마커)인 수소 가스를 고감도·고선택적으로 검출하는 새로운 센서 개발에 성공했다고 18일 밝혔다. 연구결과는 재료과학 분야 국제학술지 ‘재료화학저널’에 게재됐다. 

혈액이나 조직 채취와 같이 아픔을 동반하는 침습적 방법이 아닌 내쉬는 숨(호기)만으로 인체의 질병을 진단하는 호기 분석 기술은 환자의 거부감과 치료비용을 낮추고 질병의 조기 진단을 가능하게 하는 미래의료의 핵심 기술이다.

사람이 내쉬는 호흡에는 다양한 생체지표 가스(수소, 아세톤, 황화수소, 톨루엔 등)들이 포함돼 있어 특정 가스의 농도를 정확하게 알 수 있다면 병원에 가지 않고도 조기에 질병을 간단히 알아낼 수 있다. 

그러나 생체지표 가스인 수소는 매우 미량의 농도인 ppm(100만분의 1) 수준으로 사람의 호흡에서 배출되기 때문에 정확한 분석을 위해서는 센서의 민감도를 높이는 것이 중요하다. 또 사람의 호흡에는 고농도의 수분이 포함돼 있을 뿐만 아니라 수백종 이상의 가스들이 동시에 존재하기 때문에 호기 분석 정확도에 한계가 있었다.

연구진은 분무열분해법을 통해 넒은 비표면적(단위 질량당 총 표면적)과 다공성 구조를 갖는 팔라듐 촉매가 첨가된 산화주석 구조체를 설계해 과민성대장증후군의 조기진단에 활용될 수 있는 수소가스를 고감도와 고선택성으로 검출하는 데 성공했다.

개발된 센서는 호흡 속에 포함된 극미량의 수소가스를 4초 이내로 검출하는 게 가능하고 호기에 포함된 고농도 수분에도 높은 안정성을 보여 주변 환경 변화에 관계없이 호흡 속 생체지표 가스를 정확히 검출해 내는 것으로 확인됐다. 

연구팀이 만든 구조체 가스센서는 20ppm 수소에 대해 감도가 6.9 수준으로 우수했으며 호기 속 다른 생체지표 가스보다 약 5.2배 이상 높은 선택도가 관찰돼 높은 정확도로 수소를 검출하는 것으로 확인됐다.

정성용 연구교수는 “이번 연구는 초소형화가 용이한 산화물 반도체형 가스센서로 질병과 연관된 생체지표 가스를 고감도 및 고선택적으로 검출했다는 측면에서 의미가 있다"며 "추후 질병 자가 진단용 호기 센서 개발에 새로운 돌파구가 될 것으로 기대한다”고 말했다.

[윤영혜 기자 yyh@donga.com]