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현장 마약 검출을 위한 분석법 개발 연구 동향


허정석 | 충남대학교 화학과, jungseokheo@cnu.ac.kr


서 론


최근 전 세계적으로 마약 문제는 심각한 수준에 도달했다. 유엔 마약범죄 사무소(UNODC)에서 발표한 2023 세계 마약 보고서에 따르면, 작년 한 해 동안 거의 3억 8,800만 명이 마약류를 접했으며, 3,600만 명 이상이 마약류 오남용 문제로 피해를 입었다. 해당 통계에 따르면 전 세계의 12-64세 인구의 8% 이상이 작년에 한 번 이상 마약류를 접했다는 것이다.(참고문헌 1) 마약류가 심각하게 퍼지고 있는 상황에 대응하기 위해 각 국가들이 마약류 단속에 노력을 기울이고 있다. 이는 주로 마약류의 유통 과정을 차단하는 것뿐만 아니라, 실제로 마약을 섭취한 사람들을 처벌하는 과정도 포함된다. 이를 위해 여러 가지 진단 방법을 사용하여 마약 섭취 여부를 정확히 확인하는 것이 중요한 영역이다.

마약류를 사용했는지 판별하기 위한 검사 결과는 중요하지만, 이전까지의 검사는 소변이나 채혈 등을 통해서 시행되기 때문에 강제적으로 시행하기 어렵고 시간이 오래 걸린다는 단점이 있었다. 또한 기존에는 UV-vis spec- trophotometer나 GC-MS와 같은 분석 장비를 사용하여 해당 마약을 검출해냈는데, 복잡한 샘플 전처리 과정을 거쳐야 하며, 오랜 시간이 소요되는 방법이기 때문에 현장 진단에는 적합하지 않았다. 이러한 문제를 해결하기 위해 표적 물질에 대한 높은 반응성과 짧은 반응 시간을 가지는 센서들이 개발되고 있으며, 위에 언급된 방법뿐만 아니라 타액이나 머리카락을 채취하여 마약류 투약 여부를 판별하는 방법까지 개발되고 있다.

현재의 약물 검출 방법은 소변, 혈액, 타액 등 생물학적 물질의 정성적 및 정량적 분석을 통해 이루어지고 있다. 센서의 종류는 대표적으로 전기화학적(Electrochemi- cal) 센서와 광학적(Optical) 센서로 나눌 수 있다. 전기 화학적 센서의 가장 큰 장점은 민감도와 특이도이다. 센서와 표적 물질간의 상호작용이 빠르게 일어나기 때문에 실시간 모니터링에 적합하다고 볼 수 있다. 전기화학적 센서는 마약류와 반응하면 전압이나 전류 등의 전기적 특성이 변하는 것을 파악하고 이를 통해 마약류를 검출할 수 있다. 특히 전기 활성 특성을 가진 물질의 경우에는 전기 화학적 센서를 사용하는 경우에 많은 이점을 얻을 수 있다. 광학적 바이오센서는 센서와 표적 물질 간의 상호작용으로 흡광도나 형광이 변하는 것을 이용하는 방법이다. UV-Vis spectroscopy 및 fluorescence spectroscopy를 이용하여 센서의 반응 전후의 흡광도 및 형광을 측정하여 마약류가 있는지 여부를 판별하게 된다[그림 1(a)]. 광학적 센서의 종류 중 하나인 비색 센서는 센서와 표적 물질간의 상호작용으로 색이 변하는 센서를 의미하는데, 추가적인 해석 과정이 필요하지 않기 때문에 육안으로 판별할 수 있다는 장점이 있다. 하지만 전기화학적 센서에 비해서 평균적인 민감도와 특이도가 낮고, 외부 환경에 굉장히 취약하기 때문에 실험 조건(온도 및 습도 등)을 일정하게 맞춰줘야 한다는 단점이 있다.(참고문헌 2)

검출하고자 하는 마약류를 정확하게 선별할 수 있어야 약물 검출에 있어서 신뢰도가 높다고 볼 수 있기 때문에, 먼저 마약류의 특성을 이해하고 그에 따른 센서를 개발하는 방향으로 연구가 진행되는 경우가 많다. 예를 들어 항원-항체 반응 등 표적 물질에 특이적으로 결합하는 물질을 센서에 결합시키는 방향으로도 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 반응을 통해서 다른 물질의 결합은 최소화하고 표적 물질에 대한 민감도를 더 높여줄 수 있다. 이 상으로 본 총설에서는 마약류를 섭취하였는지 감별해 낼 수 있는 최신 센서들의 연구 동향을 서술하려고 한다. 특히, 센서의 종류를 전기화학적, 그리고 광학적 센서로 나누어 설명하고자 한다.



본 론


1.      전기화학적 센서

 

혈액을 통해 마약류를 감지하는 센서를 개발하는 과정 에서는 여러 가지 문제가 있다. 먼저 센서는 혈액 내의 다른 물질과의 상호작용을 최대한 줄여야 한다. 혈액 내의 다른 물질과 상호작용을 하게 되어 검사 결과에 영향을 준다면 센서가 신뢰성을 가진다고 볼 수 없기 때문이다. 그리고 혈액 내에서 마약류의 농도는 상당히 낮기 때문에 센서는 높은 민감도와 특이도를 가져야 한다. 마지막으로 사람마다 마약을 대사하는 속도가 다르기 때문에 정확한 검출이 어려울 수 있다. 같은 양의 마약류에 노출되더라도 개인별로 차이가 있기 때문에 최종적인 결과에 영향을 미치게 되는 것이다. 이상 설명했던 것과 같은 특징 때문에, 혈액을 감지하기 위한 센서는 광학보다는 전기화학적인 센서가 대체적으로 우세를 점하고 있다. 그래핀(Graphene)은 표면적이 넓고 높은 전도도와 안정성을 가지고 있어 전기화학적 센서 제작에 적합한 소재이다. 그러나 이러한 특성으로 인해 표적 물질이 아닌 다른 물질에도 높은 민감도를 가지기 때문에 원하지 않는 반응이 발생할 수 있다. 따라서 표적 물질을 정확하게 선별 하여 반응시키기 위해 센서 표면에 추가적인 처리를 해주는 경우가 많다. 먼저 그래핀에 레이저를 이용해 흠집을 낸 레이저 스크라이브드 그래핀(Laser-scribed graphene, LSG)을 이용한 센서가 있다[그림 1(b)]. LSG 센서는 높은 감도, 휴대성, 저렴한 비용, 스마트폰 기반 현장 진료(Point of Care, POC) 장치와의 결합 용이성 등의 장점을 가지고 있어 현재 연구가 활발히 진행되고 있다. 해당 기술을 기반으로 제작된 센서는 하나의 타액 샘플로 세 가지 약물을 동시에 검출해 낼 수 있으며, 약물의 검출 한계는 암페타민(Amphetamin)의 경우 4.3 ng/mL, 벤조디 아제핀(Benzodiazepine)의 경우 9.7 ng/mL, 코카인 (Cocaine)의 경우 9.0 ng/mL로 나타났다. 해당 센서의 경우 LSG 기반 센서와 반응 결과를 확인하기 위한 전위가변기(Potentiostat), 그리고 스마트폰까지 통합하여 완전한 현장진료 플랫폼을 가지고 있기 때문에, 검사 결과를 즉시 현장에서 확인할 수 있다는 장점이 있다.(참고문헌 3) 

소변을 통해 마약류를 감지하는 센서의 경우 상당히 다양한 종류의 마약류를 감지할 수 있는 편이다. 예전부터 강세를 보였던 대마(Cannabis), 모르핀(Morphine), 암페타민, 메스암페타민(Methamphetamine) 등의 마약류와 더불어 MDMA, 디아제팜(Diazepam) 등 최근에 유행하고 있는 마약류까지 폭넓게 감지할 수 있는 것은 확실한 장점이라고 볼 수 있다. 해당 센서의 예시로는 전기화학 압타머 기반(Electrochemical Aptamer-Based, EAB) 센서가 있다. 압타머는 항체와 유사한 역할을 하며, 표적 단백질에 대한 결합력과 특이성이 뛰어나다. 케타민 (Ketamine)을 표적 물질로 선정하였는데, 케타민에 대한 센서의 반응성을 높이기 위해 케타민을 표적으로 삼는 압타머를 센서에 결합시켜 표적 물질에 대한 선택성과 반응성을 더 높여주는 방식을 취했다[그림 2(a)]. 해당 센서는 30초 이내에 반응 결과를 제공하며, 타액 및 소변 샘플에서 케타민을 10 nM의 매우 낮은 검출 한계로 식별할 수 있다.(참고문헌 4)

다음으로 전기화학 센서의 분석 성능을 향상시키기 위해 Sodium dodecyl sulfate(SDS)와 같은 계면활성제를 사용한 센서를 살펴보자. 해당 센서는 스크린 인쇄 탄소 전극(Carbon screen-printed electrodes, SPE)을 기반으로 하여 제작되었고, 이후 전극을 SDS와 반응시켰다. 계면활성제인 SDS는 탄소 전극의 표면에 흡착되어 표적 물질이 전극의 표면에 흡착하는 과정을 도와주게 된다[그림 2(b)]. SPE와 SDS의 조합을 통해 더욱 낮은 검출 한계를 가질 수 있게 하는 것이다. 해당 센서는 타액을 분석 물질로 사용하여 5가지 마약류를 검출해 낼 수 있으며, 대표적인 검출 한계는 코카인이 1.2 μM, 케타민이 2.6 μM 등으로 상당히 낮은 수치를 보여주었다.(참고문헌 5)

널리 알려져 있는 마약류 중 하나인 암페타민류(Am-phetamine-type stimulants, ATS)는 유엔마약범죄사 무소의 세계마약보고서에 따르면 연간 최고 증가율을 보 이며, 전 세계 마약류 복용자의 17%에 해당한다. 하지만 ATS의 전기적 특성 때문에 전기화학적 센서를 이용해서 감지하기는 어려운 편이다. 그 이유는 ATS의 전기활성 (Electroactive)이 낮기 때문에 기판의 표면 및 전극과 쉽게 상호작용하지 못하기 때문이다. 따라서 전기화학적인 방법을 통해 해당 마약을 검출하기 위해서는 ATS 내의 1 차 아민 그룹을 활성화하는 전처리과정을 거쳐야 한다. 1,2-naphthoquinone-4-sulfonate(NQS)를 사용하여 활성화된 ATS는 전기화학적 분석을 통해 마약 사용 여부를 확인할 수 있게 되며, 반응 시간 역시 3분으로 짧은 시간 안에 탐지가 가능해진다.(참고문헌 6)




유기 전계 효과 트랜지스터(Organic Field-Effect Transistors, OFET)를 기반으로 한 센서는 반응성이 높고 비용이 낮으며, 반응 속도가 빠르다는 장점이 있다. 하지만 이러한 센서는 표적 물질에 대한 선택성이 낮다는 큰 단점 또한 가지고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 OFET 센서에 추가적인 유도체를 결합하여 ATS에 대한 선택성을 높이는 방법이 개발되었다. 해당 센서는 Cu- curbit[7]uril(CB[7]) 유도체를 사용하였는데, ATS와 CB[7]은 1대1로 반응하여 복합체를 만들어내기 때문에 기존 센서에서 ATS에 대한 선택성을 높여준다[그림 3(a)]. 이러한 기술은 기존 OFET 센서의 단점을 보완하였으며, 증류수에서 1 pM, 소변에서 1 nM의 매우 낮은 농도의 검출 한계를 보여주었다. 또한, 센서에 무선 통신 기능을 추 가하여 실시간으로 분석이 가능하도록 하였다.(참고문헌 7)

 

2. 광학적 센서

 

전기화학적 센서에 비해 ATS를 감지하기 위한 광학적 센서는 많은 보고가 이루어져 있다. 먼저 Activated furan을 ATS와 반응시키는 방법이 있다. ATS와 반응할 때 Furan ring-opening mechanism을 거치게 되는데, 이 반응을 통해 센서는 무색에서 붉은색으로 바뀌게 되며, 육안으로도 색이 변하는 것을 확인할 수 있다[그림 3(b)]. 해당 센서는 ATS 마약류에 대해 낮은 검출 한계를 보여 주었는데, 수용액 상에서 메스암페타민과 MDMA 각각 0.36 μg/mL 및 0.57 μg/mL의 검출 한계를 나타냈다. 또한, 5분 이내에 반응이 완료되는 등 짧은 반응 시간을 보여주었고, 다른 물질과는 크게 반응하지 않는 높은 선택 성을 보여주었다.(참고문헌 8)

다른 방법으로는 표면 플라즈몬 공명(Surface Plas- mon Resonance, SPR) 방식을 사용하여 ATS를 탐지하는 방법이 있다. SPR 기술은 시료가 적은 환경에서도 높은 반응성을 보인다는 장점이 있지만, 200 nm 주변에 해당하는 파장만 관찰할 수 있다는 한계가 있다. 이 한계를 극복하기 위해, 분자 각인 고분자(Molecularly Imprinted Polymers, MIP) 중합 방법을 기존 SPR 칩 방식과 결합하는 방법을 사용한 센서가 있다[그림 4(a)]. SPR 칩 표면에 MIP 멤브레인을 융합시키는 방법을 이용하여 관찰 가능한 파장의 범위를 크게 늘려주는 방식이다. MIP- SPR 센서는 살충제, 스테로이드, 폭발물 등 다양한 물질 의 검출에도 적용된다. 표적 물질인 ATS를 감지하기 위해 MDA 및 MDMA와 결합된 새로운 전기화학-표면 플라즈몬 공명 센서(Electrochemical-Surface Plasmon Resonance, EC-SPR)의 특징을 살펴보면, 이 센서는 소변 샘플에서 ATS에 반응하며, MDA 및 MDMA에 대해 57 nM 및 59 nM로 매우 낮은 검출 한계를 보인다. 또한, 다른 다양한 물질에 영향을 받지 않고 표적 물질과 높은 반응성을 보였다.(참고문헌 9)


다음으로는 금 나노 입자(Nanoparticle)를 이용하여 제작된 광학 센서이다. 기존에 금 나노 입자를 사용하여 만든 센서가 있었지만, 검출 한계가 높아서 미량의 마약류를 감지해내는 데에는 어려움이 있었다. 이러한 문제를 해결하기 위해 DDNB(Deeply-dyed nanobead) 방법을 사용하여 제작된 복합적인 나노 입자를 활용하며, 이를 통해 광학적 변화를 감지하여 마약류를 식별하게 된다. 모르핀과 메스암페타민을 표적 물질로 선택하였으며, 검사는 8분 이내에 완료되며 육안으로 확인할 수 있다. 검출 한계는 8.0 ng/mL로, 기존의 금 나노 입자를 사용한 센서보다 약 3.1배 더 낮은 것을 확인할 수 있다. 또한 이 센서는 모발 검사 형식의 특이성으로 인해 충분한 차별성을 보유하고 있다. 모발 검사는 다른 분석 물질을 사용하는 것에 비해 장점을 가지고 있는데, 상당히 오랜 기간 동안 (최대 90일) 검출이 가능하다는 점이다.(참고문헌 10)

또한, 필름을 기반으로 한 형광 센서가 있는데 메스암페타민과 유사한 약물인 메틸페닐아민(Methylpheny- lamine)을 검출하기 위한 센서이다. 이러한 필름 기반 센서는 필름 표면의 코팅 방법에 따라 많은 차이가 발생할 수 있는데, 기존에는 주도 용액의 농도를 조절하는 등의 복잡한 과정을 거쳐서 표면 코팅을 원하는 방식으로 만들어냈다. 그러나 이 센서는 UV-오존을 통해 기판 표면을 처리하여 표면의 형태를 변화시키는 방법을 사용했다. 이러한 과정을 거친 후, 검출 한계가 이전에 비해 급격히 낮아지는 것을 확인할 수 있는데, 처리 이전의 검출 한계는 2.59 ppm이었지만, UV-오존 처리 후에는 0.25 ppm으로 감소하는 것을 확인할 수 있었다.(참고문헌 11)

마지막으로 압타머를 이용하여 표적 물질에 대한 반응성을 높인 센서가 있다. 앞서 전기화학 압타머 기반 센서에서 설명했듯이, 특정한 표적 단백질에 대한 반응성이 뛰어난 압타머를 이용하여 비슷한 마약류를 구별해내는 것이다. 마약류 중 오피오이드(Opioid)는 동일한 구조를 공유하고 있는 경우가 많아 구별이 어렵기 때문에 각 오피오이드에 반응성을 가지는 압타머를 이용하여 색이 변하는 비색 센서를 제작하였다[그림 4(b)]. 모르핀, 헤로인(Heroine), 코데인(Codeine), 옥시코돈(Oxycodone) 등 7가지 오피오이드를 구분할 수 있게 설계되었으며, 검출 한계는 0.5μM, 반응 시간은 수 초 이내였다. 해당 센서를 통해 혼합물에서 두 종류 이상의 오피오이드를 정확하게 구별할 수 있었다.(참고문헌 12)

 

결 론


이 총설에서는 현대 사회에서 마약류의 위험성이 점차 증가함에 따라, 여러 종류의 센서를 활용한 마약류 감지 방법에 대해 서술하였다. 마약류를 신속하고 정확하게 감지할 수 있는 기술의 발전은 전 세계적으로 중요한 과제로 인식되고 있다. 특히, 실시간 현장 분석에 대한 관심이 높아지고 있기 때문에 해당 센서에 인공지능과 기계학습, 사물인터넷 등을 결합하면 많은 양의 데이터를 관리하고 해석 가능한 정보로 변환하여 가치를 더할 수 있다. 즉, 수집된 생체 데이터를 사용하여 마약류 복용 여부를 자동으로 확인하는 등의 작업이 가능해지는 것이다. 휴대용 센서로 수집된 정보를 기계학습을 통해 더 정확하게 분석하고 판별할 수 있기 때문에, 기계학습을 지원하는 센서는 더 많은 선호도를 얻을 것으로 예상된다. 또한, 현장 진단 장치에 기계학습을 결합하면 결과를 스마트폰을 통해 확 인하는 등의 편의성도 증가할 것이다.(참고문헌 13,14) 현재까지 발전 된 휴대용 센서 기술은 여러 가지 장점을 제공하고 있으나, 각각의 센서마다 장단점이 존재하므로 이를 효과적으로 융합하는 등의 방법을 이용한 기술 발전이 필요하다. 따라서 감지용 소재의 개발과 반응성 연구는 지속적으로 진행되어야 할 것이다.



참고문헌


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  2. Razlansari, M.; Ulucan-Karnak, F.; Kahrizi, M.; Mirinejad, S.; Sargazi, S.; Mishra, S.; Rahdar, A.; Díez-Pascual, A.M. Nanobiosensors for detection of opioids: A review of latest advancements. Eur. J. Pharm. Biopharm. 2022, 179, 79-94.

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  6. Parrilla, M.; Felipe Montiel, N.; Van Durme, F.; De Wael, K. Derivatization of amphetamine to allow its electrochemical detection in illicit drug seizures. Sens. Actuators B Chem. 2021, 337, 129819.

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허 정 석 Jungseok Heo


• 성균관대학교 화학과, 학사(1990.3 - 1996. 2, 지도교수 : 이순원)

• 포항공과대학교 분자생명공학부, 석사(1996. 3 - 1998. 2, 지도교수 : 김기문)

• 포항공과대학교 분자생명공학부, 박사(1998. 2 - 2002. 2, 지도교수 : 김기문)

• 포항공과대학교, 지능분자연구단, 박사 후 연구원(2002. 3 - 2002. 9, 지도교수 : 김기문)

• Northwestern University, 화학과, 박사 후 연구원(2002. 10 - 2009. 8, 지도교수 : Chad A. Mirkin)

• 충남대학교 자연과학대학 화학과, 부교수(2009. 9 - 2015. 8)

• 충남대학교 자연과학대학 화학과, 교수(2015. 9 - 현재)


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