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신소재경제신문·재료연구원 공동기획 소재기술백서 2018(36)-제4장 생활안전을 위한 소재기술-먹거리 안전 진단 소재기술(1)-정호상(재료연구원) - 현장형 먹거리 진단기술 시대 도래
  • 기사등록 2021-02-09 17:12:33
  • 수정 2021-02-09 17:22:56
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재료연구원이 발행한 ‘소재기술백서’는 해당분야 전문가가 참여해 소재 정보를 체계적으로 정리한 국내 유일의 소재기술백서다. 지난 2009년부터 시작해 총 10번째 발간된 이번 백서의 주제는 ‘국민생활문제 해결용 소재’다. 재난재해 방지를 위한 소재기술, 청정한 대기를 위한 소재기술, 깨끗하고 안전한 물을 위한 소재기술, 생활안전을 위한 소재기술 등으로 나눠 각 분야별로 가치 있고 다양한 정보를 담았다. 이에 본지는 재료연구원과 공동기획으로 ‘소재기술백서 2018’을 연재한다.

현장형 먹거리 진단기술 시대 도래


■ 기술의 정의 및 분류


안전한 먹거리에 대한 국민적 관심과 요구가 지속해서 높아지면서 식품 중 잔류농약, 살충제, 항생제, 중금속 및 환경호르몬 등 유해물질의 위험성에 대한 소비자들의 우려가 증가하고 있다(그림 3-4-4-1). 이에 먹거리 전반에 걸친 안전 진단의 필요성이 크게 야기되었다. 먹거리 안전 진단 소재란 식품 내 유해물질을 검출할 수 있는 센서 및 기기를 이루는 소재를 뜻한다. 현재 농식품 내 유해물질을 검출하는 대표기술로는 질량분석 기술이 있으나 시료의 물리 화학적 분리를 위해 긴 시간이 소요되고 현장 적용성이 떨어지는 단점이 있다. 보다 간편한 검출로 현장 적용성을 높이기 위한 기술들이 개발 중이며 크게 2가지 센서 기술로 분류할 수 있다. 첫째, 광학적 방식은 유해물질과의 직·간접적 반응에 의해 광학적 특성이 변화하거나, 광학 신호가 생성되는 원리를 이용하는 기술이다. 둘째, 전기화학적 방식은 유해물질과 센서 전극의 다양한 형태의 반응을 전기신호 변화로 검출하는 기술이다.


광학 및 전기화학 방식을 포함한 다양한 유해물질 검출기술개발에도 불구하고 농식품의 경우 유통 특성상 제품 전수조사가 불가능하고, 특히 현장이나 소비자 구매 단계에서 유해물질 존재 여부를 판별하는 기술이 없기 때문에 이미 유통된 농식품의 유해물질 오염 여부를 추적하기는 매우 어려운 상황이다. 또한, 주로 유해성분이 사회에 노출된 후 감시기관에서 인지하는 경우가 많아 국민건강을 더욱 위험하게 하며 유통된 농식품의 회수로 인한 막대한 경제적 손실까지 발생한다. 농산물 수입의존도가 매년 높아지고 있는 가운데 최근 계란 살충제 파동과 같은 먹거리 안전 이슈는 국민의 삶에 직접적으로 연관되어 있어 기술적으로 현장형 먹거리 안전 진단 소재 기술 개발에 대한 요구가 급증하고 있다.


광학 기반 센서기술은 발광/형광·비색·표면증강라만산란 효과를 이용한 기술로 나눌 수 있다. 광학적 센서 방법은 사용이 쉽고 타깃의 존재 여부를 바로 눈으로 확인할 수 있어 초기 유해물질을 스크리닝하는 목적의 현장 현시 검사에 적합하다. 전기화학 기술과 달리 전극과 같은 전도성 매개체가 필요하지 않기 때문에 증기나 가스 형태의 타깃 검출도 가능하다. 하지만 대부분의 농식품의 경우 색소 및 자체 형광신호를 일으킬 수 있는 복잡한 매트릭스 물질의 존재로 광간섭을 일으킬 수 있는 많은 여지가 있어 일차적인 적용의 한계를 나타낸다. 따라서 대부분의 광학 기반 식품 안전 센서의 경우 전처리 단계가 필요하지만, 한 번 전처리가 이루어지고 난 이후에는 타깃 자체의 광학 신호뿐만 아니라, 신호를 발생·증폭할 수 있는 나노소재의 광학 특성을 활용할 수 있어 다양한 연구개발이 이루어지고 있다.


전기화학 기반 센서는 검체와 센서 전극 표면에서 타깃 유해물질의 존재에 따라 전류, 전압, 전도도, 저항 변화를 감지하여 신호를 검출하는 기술이다. 전기화학 센서는 높은 민감도, 간편성, 빠른 검출 속도, 휴대용 검출기기에 일체화할 수 있다는 장점 때문에 농식품을 포함한 다양한 바이오센서 분야에서 빠르게 성장하고 있는 센서 기술이다. 전기화학 센서는 색이 있는 농식품 특성에도 광학 기반 센서보다 간섭을 적게 받고, 전처리 과정도 최소화할 수 있다. 전기화학 센서의 전극 표면에 타깃 유해물질을 선택적으로 검출할 수 있는 수용체들을 고정하여 선택적 농식품 내 유해물질 검출 센서로 개발되고 있다.


기타 기술로는 수정진동자저울(Quartz Crystal Microbalance, QCM)을 이용한 미세질량 변화 감지기술과 식품 내 패키징 가능한 전파식별태그(Radio Frequency Identification, RFID)를 이용한 식품 신선도 및 오염 모니터링 기술도 개발되고 있다.


■ 기술의 원리


1) 질량 분석기술


농식품 내 유해물질을 검출하는 대표적인 방법으로는 질량 분석기술이 있다. 질량 분석기술을 소재기술로 분류하기는 어렵지만, 현재 국립농산물품질관리원 시험연구소에서 농식품 내 유해물질 검출의 표준기술로 사용하고 있으므로 소개하고자 한다. 질량분석법은 전처리 및 기기분석에 3~8시간 정도 소요되고 검출기기가 매우 크기 때문에 현장형 유해물질 분석법으로는 적절하지 않다. 하지만 320종 이상의 농약 성분을 동시 분석 가능하여 가장 보편적인 방법으로 이용되고 있으며, 전처리 및 기기분석 시간을 단축하고 분석 가능 유해물질 성분 수를 확대하는 방향으로 기술 발전도 이루어지고 있다. 농식품은 복잡한 구성성분으로 이루어져 있기 때문에 유해물질 검출에 반드시 전처리 과정이 수반된다.


질량 분석용 전처리 프로세스를 간단히 소개하고자 한다. 먼저, 농산물 균질화 과정을 통해 건시료 혹은 액상시료를 준비한다. 그리고 시료의 무게를 측정 후 잔류농약 추출을 위해 용매주입, 진탕을 실시한다. 이후 퀘처스(Quick, Easy, Cheap, Effective, Rugged and Safe, QuEChERS)법을 이용하여 복잡한 매트릭스 물질들을 분리하는 과정을 거치게 된다. 퀘처스법은 기계적 진탕, 액체-액체추출(Liquid-Liquid Extraction, LLE), 고체상 추출법(Solid Phase Extraction, SPE) 등을 복합적으로 이용하여 잔류 농약이 포함되어있는 층을 분리하는 것이다. 마지막으로 액체크로마토그래피 질량분석기(LC-MS/MS) 혹은 가스 크로마토그래피 질량분석기(GC-MS/MS)에 주입하여 질량분석을 실시하게 된다. 크로마토그래피에 의해 분리된 시료는 이온화 과정을 거친 후, 질량분석기를 통해 각각의 질량에 따라 분리된다. 농식품 내 유기화합 물질을 ppb(parts per billion, ppm의 1,000분의 1) 수준까지 분석할 수 있고 정확한 정량분석이 가능하여 가장 신뢰성 있는 기술로 이용되고 있다.



유해물질 여부 스크리닝 개념 개발 필요

IC칩·무선통신 이용 생산·유통 모니터링



2) 광학 기반 기술


비색 반응 센서는 타깃 물질의 존재 여부에 따라 색이 변하여 눈으로 유해물질의 존재를 곧바로 확인할 수 있는 원리를 이용한다. 색 변화의 정량분석을 위해서는 자외선 가시광선 분광기(UV-Vis Spectrometer)나 사진 기반 이미지 분석 소프트웨어를 이용할 수 있다. 금, 은과 같은 귀금속 나노입자에 유해물질을 인지할 수 있는 수용체를 고정하고, 유해물질이 나노입자에 포집되면 입자의 뭉침 현상에 의해 색 변화를 일으킨다. 해당 색 변화를 감지하여 유해물질 존재를 판별하거나 귀금속 나노입자의 표면플라즈몬 흡광 밴드의 변화를 통해 정량 분석을 할 수 있다. 비색 반응 센서를 이용하면 소분자에 해당하는 농약뿐 아니라 수 마이크로에 이르는 박테리아, 그 중간에 해당하는 바이러스 검출에도 쉽게 응용할 수 있다. 유해 중금속 이온의 경우 나노입자 표면의 선택적 에칭, 산화·환원 반응에 의한 색 변화 원리를 타깃 검출에 이용할 수 있다.


형광 기반 센서의 경우 생성 신호가 높은 명암비를 가지고 있어 백그라운드(background) 신호의 영향을 적게 받는 장점이 있다. 또한, 색소가 존재하는 농식품 환경에서의 작은 색 변화를 관찰하는 비색 센서보다 주관적인 판단의 개입이 적다. 형광 기반 센서 개발에는 발광·형광 특성이 있으면서 농식품 매트릭스 물질들과 신호가 겹치지 않고, 좁은 방사 밴드(emission band)를 가지는 양자점(quantum dot)과 란탄계 나노입자 등을 이용할 수 있다. 서로 다른 형광 파장의 나노소재를 이용하면 다중 타깃 검출도 가능하다. 타깃과 반응한 나노소재의 형광 신호를 측정하여 유해물질의 존재 여부 및 정량분석도 가능하고, 형광현미경을 이용하게 되면 형광 신호의 공간적 분포도 확인할 수 있다는 장점이 있어 다양한 응용이 가능하다.


표면증강라만산란 센서는 나노 구조체가 형성된 귀금속 표면에서 라만산란신호가 증강되는 원리를 이용한다. 라만 검출의 가장 큰 장점 중 하나는 타깃 물질이 소분자일 경우, 고유의 라만 스펙트럼을 비표지 방식으로 검출할 수 있어 리포터 물질이나 프로브 나노입자의 사용 없이 극미량의 타깃을 고감도 검출 가능하다는 것이다. 하지만 타깃의 종류에 따라 고유 라만산란신호가 작은 경우가 있고, 바이러스, 박테리아와 같은 병원성 물질의 경우 크기가 크기 때문에 귀금속 나노 갭에서의 표면증강라만산란 효과를 기대하기 힘들다. 이러한 경우 나노프로브 물질을 도입하거나 라만 신호를 대신 생성 할 수 있는 리포터 물질의 신호를 대신 측정하는 방법을 이용하고 있다. 최근에는 농식품 매트릭스 전처리를 최소화하고 혼합물의 복잡한 라만 신호에서도 주성분 분석(PCA analysis)과 같은 신호처리를 통해 타깃 유해물질의 존재 여부를 판단하거나, 혼합된 신호로부터 타깃의 고유 라만신호를 통계 분석하여 다중 검출에 적용할 수 있는 기술도 개발되고 있다.


3) 전기화학기반 기술


센서 전극 표면에 나노 구조체를 도입하거나 금속 나노 입자 또는 그래핀과 같은 높은 전기 전도도를 가지는 소재를 표면 개질함으로써, 표면적을 넓혀 타깃 분자의 확산속도와 접근 면적을 증가시키거나 타깃 검출 민감도를 향상하는 연구들이 진행되고 있다. 검출기기로는 대표적으로 전압전류계(voltammeter) 및 전기화학 임피던스 측정기가 있고, 이를 이용하여 타깃이 전극 표면에 접근함에 따라 변화하는 전기 신호를 측정할 수 있다. 선택적 타깃 검출을 위해 다양한 수용체를 전극 표면에 고정하기도 하고, 특히 타깃 성분과 반응 할 수 있는 효소를 전극에 부착시켜 효소와 타깃의 산화환원 반응을 신호로 읽어 들이는 잔류농약 센서 개발 사례도 있다.


전기화학 센서는 복잡한 대형 측정기기가 필요하지 않고 작은 구동전압에도 성능 구현이 가능하기 때문에 휴대용 디바이스 형태로 개발하기에 적합한 기술이다. 미세유체 칩을 이용하거나 랩온어칩(lab-on-a-chip) 디바이스에 적용하면 센서 크기를 최소화하고, 측정에 필요한 샘플의 부피도 줄일 수 있는 장점이 있다. 미세유체 방법은 농식품의 간이 전처리 및 타깃 농축을 할 수 있어 소형 디바이스로 개발할 수 있지만, 아직은 검출 신뢰도가 낮아 이를 향상하기 위한 연구가 꾸준히 진행되고 있다.


4) 기타기술


수정진동자 저울은 나노 그램 단위의 질량 변화를 관찰할 수 있는 고감도 센서 기술이다. 석영과 같은 압전(piezoelectric) 소재를 이용하여 무게 변화에 의해 변화하는 공진 주파수 변화를 감지하여 타깃을 검출한다. 최근에는 수정진동자 저울 표면에 선택성을 부여할 수 있는 수용체인 분자 각인 고분자(Molecularly Imprinted Polymer, MIP), 앱타머(aptamer) 등을 이용하여 선택적 유해물질 검출에 이용하고 있다.


전파식별태그 기술은 식품 패키징이 가능하고 빠른 실시간 응답속도, 편의성, 비접촉 방식 때문에 최근 식품 안전 센서의 응용 기술로 이용되고 있다. IC칩과 무선통신을 통해 식품 생산부터 유통과정까지의 환경 변화를 모니터링 할 수 있어 농식품 품질관리의 차세대 기술로 떠오르고 있다.


■ 국민생활문제 해결관점에서 기술의 중요성 및 전망


농축산물에 사용되는 다양한 농약, 항생제 등의 사용으로 현대 사회는 식품에 대한 높은 생산성과 가격 경쟁력을 확보하게 되었고 이는 농식품 산업의 발전으로 이어지게 되었다. 농축산물에 사용되는 수많은 화학물질의 인체 안전성이 모두 규명되지 않았음에도 불구하고, 일부 농축산물 생산자는 사용 금지된 농약을 사용하거나 생산성 향상을 위해 기준치 이상으로 약품을 처리하는 경우들이 발생한다. 또한, 농식품 유통과정에서 보존 기간을 늘리기 위해 사용되는 보존제 및 상품성이 좋아 보이도록 하기 위해 사용되는 발색제 등 농축산물이 최종 상품 혹은 조리된 식품으로 우리 식탁에 오르기까지 많은 화학물질에 노출된다. 한편, 생산단계에서 전염성 질병에 걸린 농축산물, 유통과정에서 노출될 수 있는 곰팡이, 박테리아, 바이러스 등도 국민 건강을 위협하는 존재들이다.


소비자들은 농식품 유통의 특성상 대부분 신뢰를 바탕으로 제품을 소비하여 유해물질의 위험에 직·간접적으로 노출되게 된다. 국내에는 국내 생산품뿐만 아니라 수많은 해외 농식품이 수입되어 유통되고 있고 그 의존도는 해마다 높아지고 있다. 따라서 앞으로는 소비자가 직접 유해물질의 존재 여부를 검출할 수 있는 현장형 먹거리 진단 기술이 필요한 시대가 되었다. 현장에서 필요한 기술은 소비자 구매 단계에서 빠르게 먹거리 유해물질 존재 여부를 스크리닝 할 수 있는 개념으로 개발되어야 한다. 1차 스크리닝을 통과한 농식품은 현장에서 안전하게 구매하고, 의심되는 제품들은 정밀 검사 대상으로 분류하여 위험 농식품 유통을 차단하는 방향으로 기술 적용 전략을 세우는 것이 바람직하다.


▲ <그림 3-4-4-1>농식품 유해물질 검출 사례, 농산물 수입추이, 농축산물 구매 기준 조사


▲ <그림 3-4-4-2>광학기반 표면증강라만 산란 센서


▲ <그림 3-4-4-3>전기화학 기반 잔류농약 센싱


▲ <그림 3-4-4-4>질량 분석기 및 농약 성분의 질량 스펙트럼


▲ <그림 3-4-4-5>귀금속 나노입자를 이용한 농약 비색 센서


▲ <그림 3-4-4-6>표면증강라만산란 효과를 이용한 농식품 내 농약 검출


▲ <그림 3-4-4-7>분자 각인 고분자가 고팅된 QCM 센서 Quartz Crystal Microbalance Sensor, 독소 시트리닌(citrinin)검출


▲ <그림 3-4-4-8>RFID 태그 Radio Frequency Identification Tag가 부착된 식품 및 비접촉 센싱 개념


▲ <그림 3-4-4-9>현장형 먹거리 유해물질 스크리닝 개념


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