김경지, 권오석* | 성균관대학교 성균나노과학기술원 부교수, oskwon79@skku.edu
서 론
데이트 강간 약물(Date rape drug; DRD)은 약물을 이용한 성범죄(Drug facilitated sexual assault; DFSA)에 사용되어진다. 일반적인 데이트 강간 약물은 음료에 용해될 경우 무미·무취·무향이므로 가해자가 피해자에게 음료에 녹인 약물을 섭취할 경우 기억상실, 혼란, 운동성 상실, 의식불명 등을 유발한다.[참고문헌 1,2] DRD의 종류로는 감마- 하이드록시부티레이트(γ-Hydroxybutyrate; GHB), 펜타닐(Fentanyl), 케타민(Ketamine), 스코폴라민(Scopolamine) 등의 마약이 있다.[참고문헌 3-7] 이 중 GHB는 섭취 후 10분 이내에 중추신경계의 빠른 억제를 통한 강한 진정 효과를 나타내며 1g 섭취 시 근육 이완 및 기억 상실, 억제력 감소를 유발하며, 2g 이상 섭취 시 혼수상태의 수면을 유도할 수 있다. [참고문헌 8,9] GHB는 뇌에 존재하는 내인성 신경전달물질이며, 섭취 시 후 혈장 반감기가 30~50분이므로 12시간 내에 체외로 배출되어 추적이 어렵다.[참고문헌 10] 그러므로, 소변 및 혈액 샘플에서는 GHB 용량의 1~5%만 회수 될 수 있어 GHB를 민감하게 검출하기 위한 분석 방법으로 법의학 테스트(Forensic)가 적용되어 왔다. 이러한 특징을 가진 GHB는 한국에서는 물뽕으로 불리며, 2018년 ‘버닝썬 게이트’로 위험성을 알렸다. 현재 사용되어지는 검출 방법은 사후 검출 기법이므로 실시간으로 GHB를 검출하고 범죄를 사전에 예방하는 것이 불가능하다. 따라서, 범죄를 사전에 예방하기 위해서는 현장 또는 실시간으로 GHB로 오염된 음료를 쉽게 검출할 수 있는 플랫폼 개발이 필요하다.
여러 연구자들은 비색 또는 형광 화학 센서를 사용하여음료 내의 GHB를 육안으로 검출 방법을 개발하였다. Wang 박사 연구팀은 이리듐(III) 케모센서 1(Iridium(III) chemo-sensor 1)을 개발하여 GHB를 함유한 음료에 첨가 시 육안으로 검출이 가능하도록 하였고, Nuevalos 박사 연 구팀은 3-아미노-2-나프톨(3-Amino-2-naphthol)로 부터 두 개의 프로브를 제조하여 육안으로 검출 가능한 물질을 개발하였다[그림 1].[참고문헌 10,11] 그러나, 이러한 검출 물질들의 문제점은 액체 형태이며, GHB를 함유한 음료에 직접 첨가를 해야하고, 저분자 화합물 기반의 형광 센서이므로 정확한 감별을 위해서는 자외선 가시광선(UV-vis) 분광기가 필요하다. 따라서, 개발된 센서를 실제로 현장에서 실시간으로 이용하는 것은 한계가 있다. 최근에는 실험실 단위의 화학 물질 분석을 위해 장갑 기반 센서, 미세 유체, 타투 형태 등 화학 센서를 통합한 웨어러블 플랫폼이 개발되었다.[참고문헌 12-15] 이러한 방법을 활용하여 마약을 검출하기 위한 웨어러블 손가락 센서, 전기 화학 장갑 기반 센서, 전자 손가락 등 마약 검출을 위한 웨어러블 센서가 보고되었다[그림 2].[참고문헌 1,12,16] 이러한 웨어러블 마약 센서는 외부에 노출된 미량의 마약을 고민감도로 검출할 수 있으나 전압 전류법(Voltametric)을 통해 분석되므로 검출 신호를 받는 장비가 필요하여 DFSA로부터 스스로를 보호하기 위한 도구로 실시간 및 현장에서 사용하기 어렵다.
이러한 문제점을 극복하고, 생활보호 제품으로서 일상생활에서 마약을 검출하기 위해 여러 연구가 진행되었다. 생명공학연구원 손성욱 박사 연구팀은 GHB를 검출하기 위해 가바진(Gabazine)과 같은 생물학적 물질과 나노 섬유 (Nanofiber; NF)를 결합한 비색 종이 센서를 보고하였고[참고문헌 17], 본 저자의 연구팀은 GHB를 특이적으로 검출하는 2-(3- Bromo-4-hydroxystyryl)-3-ethyl- benzothiazol- 3-ium iodide (BHEI)를 개발하였고, 이를 응용하여 신체 및 물건에 코팅 및 부착할 수 있는 하이드로겔 기반의 마약 센서[참고문헌 18]와 나노 섬유 기반의 마약 센서[참고문헌 19]를 개발하였다. 본지에서는 마약으로부터 스스로를 보호하고 성범죄 피해를 예방하기 위해 마약의 사전 검출과 관련한 연구 사례 및 생활보호 제품 개발 기술에 대해 서술할 것이며, 사전 검출을 위해 향후 개발되어야 할 기술에 대해 논의할 것이다.
본 론
1. 하이드로겔 기반 GHB 검출 센서
본 저자의 연구팀은 GHB와 선택적으로 결합이 가능한 BHEI 화학 수용체를 개발하였으며, 개발된 BHEI를 높은 수분함량과 생체 적합성을 가진 하이드로겔과 조합하여 BHEI-HY라는 BHEI 함유 하이드로겔을 제조하여 현장형 실시간 센서로 이용하였다.[참고문헌 18] BHEI 화학 수용체는 2-메틸벤조티아졸(2-Methylbenzothiazole)로부터 제조되었고, BHEI-HY는 1% 폴리(아크릴산)(Poly(acrylic acid))용액에 의해 제조되었다. BHEI의 3-브로모-4-하이드록시벤-알데하이드(3-Bromo-4-hydroxyben- zaldehyde) 부분은 GHB와 결합하여 전자 이동을 일으키고 전자는 시아닌(Cyanine)염료와 상호 작용하여 색상의 변화를 일으켜 노란색에서 붉은색으로 변화된다. 물에 희석된 0.25 mM의 BHEI는 GHB를 함유하고 있는 음료를 3초 안에 색 변화시킬 수 있으며, 이러한 색 변화를 통해 GHB 검출이 육안으로 실시간 관찰이 가능하다. 또한, 지브라피쉬에서의 생체 독성 확인 결과, 독성을 일으키지 않아 신체 및 물건에 부착하기 위해 이용되었다. 또한, 하이드로겔은 높은 점도로 인해 신체 일부와 물건에 부착이 가능하여 생활보호 제품으로서 활용 가능하다. 범죄 현장에서 발견되는 전형적인 농도인 10 mg/mL GHB를 감지하기 위해서는 0.1 mM ~ 5mM의 BHEI를 함유한 하이 드로겔이 필요하며, 제조된 BHEI-HY는 10 mg/mL을 함유한 음료를 1분 안에 검출하였다. 더하여, GHB의 신속한 감지를 위해 육안으로 볼 수 있는 색상 변화를 실시간으로 감지하는 애플리케이션을 성공적으로 개발하여 색상 변화에 따른 GHB 검출 농도를 판단하여 위험 요인을 감지하였다. 본 기술의 GHB 검출 농도 측정에 대한 정확도는 기존의 가스크로마토그래피(Gas chromatogra- phy; GC) 방법에 비해 낮으나 마약을 사전에 감지에 사용할 수 있으므로 심각한 성범죄를 예방할 수 있는 자기 보호 제품으로서의 가능성을 보여준다. 이 검출 플랫폼은 실생활에서 마약으로부터의 노출에 대응하여 성범죄 예방을 위한 저렴하고 간단하며, 고감도의 GHB 검출 제품으로 마약 감지의 새로운 대안이 되어질 수 있다.
2. 나노 섬유 기반 GHB 검출 비색 종이 센서
생명공학연구원 임은경 박사 연구팀은 GHB 검출을 위 한 비색센서를 개발하기 위해 폴리다이아세틸렌(Polydi- acetylene; PDA)의 단량체인 10,12-펜타코사디이노익애시드(10,12-Pentacosadiynoic acid; PCDA)와 GHB 와 높은 결합 친화력을 가진 가바진을 수용체로 사용하여 PCDA의 백본(Backbone)에 도입하였다.[참고문헌 17] PCDA-가바진과 PCDA는 GHB 감지 물질로 사용하였으며 PEO와 PVDF는 매트릭스 물질로 사용하여 GHB를 함유한 액체 샘플의 침투율을 증가하여 짧은 시간 내에 신속한 GHB 검출이 가능하도록 한 GHB 검출 키트를 개발하였다. 검출 키트는 감지 물질과 매트릭스 물질을 최적의 비율로 혼합하여 전기방사하여 제작하였다. GHB가 첨가된 음료 10 uL를 키트에 떨어뜨리면, 파란색에서 빨간색으로 색 변화가 되어진다. 제작된 GHB 검출 키트는 휴대가 쉽고 복잡한 절차나 장비, 훈련된 인력 없이 시각적으로 구별 가능한 검출 결과를 제공한다. 연구진은 PCDA와 유리 가바진(Free gabazine)을 함유하는 GHBB 검출 키트(i)를 제작하였고, PCDA에 공유 결합한 가바진을 함유한 GHB 검출 키트(ii)를 제작하였다. GHB 검출을 확인한 결과, GHB는 비기능화된 PCDA(52.2 kcal/mol) 보다 PCDA-가바진(66.8 kcal/mol)과의 상호작용이 더 강했다. 그러므로, PCDA-가바진과 더 강하게 결합된 GHB는 PCDA 의 백본의 π접합 및 전자 구조를 더 효과적으로 변화시켰다. GHB 검출 결과, GHB 검출 키트(i)는 저농도의 GHB 검출에서 불안정하였으나, GHB 검출 키트(ii)는 약 0.0096 wt%의 검출한계를 보여주었다. 9종의 음료에서 의 추가실험을 위해 GHB 검출 키트(ii)를 사용하였고 그 결과, GHB를 함유한 음료를 떨어뜨린 직후 파란색에서 빨간색으로 색이 변화하였다[그림 3a]. 테스트 환경 및 사람마다 다른 색상 감각을 가진 것을 고려하여 민감도 및 신뢰도 향상을 위한 보조 수단으로 모바일 어플리케이션을 추가로 개발하였다. 어플리케이션을 통해 음료를 떨어 뜨리기 전후에 GHB 검출 키트의 적색 강도 변화를 분석 하여 검출 정보를 제공할 수 있도록 했다[그림 3b].
3. 나노 섬유 기반 신체 부착형 GHB 검출용 세컨드 스킨
BHEI-HY를 개발한 본 저자의 연구팀은 마약으로부터 자가 보호를 위해 몸에 지닐 수 있는 나노 섬유 기반의 마약센서를 개발하였으며, 개발된 마약센서는 피부에 부착 이 가능하여 2차 피부(Second Skin)라 명명하였다. [참고문헌 19] 2차 피 부는 폴리비닐알코올(Poly(Vinyl alcohol); PVA), 폴리우레탄(Polyurethane; PU) 및 폴리아크릴로니트릴(Polyacrylonitrile; PAN)과 같은 특정 특성을 가진 나노섬유로 구성된다. PVA는 생분해성으로 물에 노출되면 대부분 용해되지만 일부 용해되지 않은 PVA는 피부 부착을 위한 기능성이 부여된다. 또한, PU는 우수한 유연성과 방수 특성을 나타낸다. PAN은 고강도, 열안정성 및 대부분의 용매에 대한 내성과 같은 우수한 특성을 가진 물질이다. 연구에서는 PAN 용매에 GHB 검출을 위한 화학 수용체인 BHEI를 혼합하여 전기방사 한 후, PB 나노 섬유 (PAN conjugated with BHEI)를 제조하였으며, GHB 로 오염된 음료로부터의 색변화를 확인하였다[그림 4a]. BHEI의 적용은 화학 수용체 내장 하이드로겔로 코팅된 자체 보호 제품을 사용하여 GHB의 현장 실시간 비색 감지 센서로 이전 보고서에서 보고되었다. BHEI 화학 수용
체는 0.01 mg/mL의 GHB 표준 용액을 감지하고 BHEI 가 내장된 하이드로겔 센서는 3분 이내에 10 mg/mL GHB로 오염된 음료를 감지한다. 세컨드 스킨 플랫폼은 하이드로겔 센서에 비해 현장 사용을 위한 센서의 안정성, 민감도 및 사용성을 높인 플랫폼이다. 세컨드 스킨은 지문 인식 및 온도 감지가 우수하여 일상생활에 필수적인 스마트폰 사용이 가능하며, 매우 얇은 나노섬유로 제작되어 있어 고온 및 저온의 온도로부터의 위험에 대비가 가능하다[그림 4b]. 또한, 세컨드 스킨을 손가락과 손목에 부착 하여 GHB 농도별 (0.1~10 mg/mL) 혼합물 및 음료를 2ul씩 떨어뜨렸을 때, 색 변화를 육안으로 관찰하였으며 red intensity가 증가한 것을 확인하였다[그림 4c]. 더하여, 여성들이 사용하는 파우더, 파운데이션, 향수, 손소독제, 시계, 파우치 등의 물품에 세컨드 스킨을 부착하여 일 상생활에서의 사용 가능성을 확인하였다 [그림 4d].
결 론
대한민국에서 마약으로 인해 발생되는 사회적 문제(미성년자 마약 중독, 성범죄, 교통사고 등)가 확산됨에 따라 마약의 노출을 사전에 예방하는 것이 화두가 되고 있다. 대부분의 상용화된 마약 검출 기법은 사후 진단에 머무르고 있어 스스로를 보호할 수 있는 마약 검출 키트의 개발이 시급한 실정이다. 이에 다수의 연구자들은 GHB를 검출할 수 있는 다양한 화학 및 바이오 물질(Iridium(III) chemo-sensor, BHEI, PCDA-gabazine 등)을 이용하여 GHB를 검출할 수 있는 새로운 물질을 개발하였다. 또한, 현장에서의 사용 가능성을 높이기 위해 이러한 검출 물질을 함유한 하이드로겔 또는 나노 섬유기반의 생활 보호 제품을 개발하여 사용 가능성을 검증하였다. 현재, 신종 마약과 같이 기존 마약의 원료 및 유사체를 사용하여 변형된 마약의 확산이 증가하고 있다. 그러므로, 실생활에서 사용할 수 있는 마약 검출 생활 보호 제품은 필수적이며, 다양한 마약의 사전 검출이 가능하고 일반인도 사용할 수 있는 신속 간단한 제품 개발이 필요하다. 뿐만 아니라, 신종 마약을 검출할 수 있도록 구조가 유사한 마약을 검출할 수 있는 새로운 수용체 분자의 개발과 이를 손쉽게 검출할 수 있는 생활보호 제품으로서의 발전이 필수적이다.
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김 경 지 Gyeong-Ji Kim
건국대학교 식품생명과학부, 학사(2013. 3 - 2016. 8, 지도교수 : 안정희)
서강대학교 융합의생명공학과, 석사·박사(2016. 8 - 2022. 2, 지도교수 : 최정우)
한국생명공학연구원 감염병연구센터, 박사 후 연구원(2022. 3 - 2023. 3, 지도교수 : 권오석)
성균관대학교 성균나노과학기술원, 박사 후 연구원(2023. 3 - 현재, 지도교수 : 권오석)
권 오 석 Oh Seok Kwon
영남대학교 화학과, 학사(1998.3 - 2007.2, 지도교수 : 김석규)
서울대학교 화학공학과, 석사(2008.3 - 2010.2, 지도교수 : 장정식)
서울대학교 화학공학과, 박사(2010.3 - 2013.2, 지도교수 : 장정식)
Massachusetts Insttitute of Technology, 박사 후 연구원(2013.5 - 2013.7)
Yale university, 박사 후 연구원(2013.8 - 2015.5)
한국생명공학연구원, 책임연구원(2015.5 - 2023.2)
성균관대학교 성균나노과학기술원, 부교수(2023.2 - 현재)
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