과학자들은 공기 중 질병 징후를 감지하는 획기적인 장치를 발명했습니다.

의사의 진료실에서 혈액 샘플을 채취하기 위해 기다리며 앉아 있었던 적이 있다면, 바늘을 사용하지 않고도 동일한 정보를 얻을 수 있는 방법이 있었으면 좋겠다고 바랐을지도 모릅니다.

20 세기 의 수많은 의학적 혁신에도 불구하고 , 분자를 검출하는 가장 좋은 방법은 혈액과 같은 액체를 이용하는 것이었습니다. 그러나 시카고 대학교의 새로운 연구는 언젠가 미세 분자 검출에 종지부를 찍을 수 있을 것입니다. 한 과학자 그룹이 공기 중 분자를 수집하고 검출할 수 있는 소형 휴대용 장치를 개발했다고 발표했습니다. 이는 의학과 공중 보건의 여러 분야에 큰 희망을 가져다줄 획기적인 발전입니다.

연구진은 ABLE이라는 별명을 가진 이 기기가 병원이나 공공장소에서 공기 중 바이러스나 박테리아를 감지하고, 신생아 치료를 개선하며, 당뇨병 환자가 호흡을 통해 혈당 수치를 측정할 수 있도록 하는 데 활용될 수 있을 것으로 예상합니다. 기기 전체 크기는 가로 4인치, 세로 8인치에 불과합니다.

이 논문의 수석 저자 중 한 명인 시카고대 보지 티안 교수는 "이 프로젝트는 우리가 추진한 가장 흥미로운 연구 중 하나입니다."라고 말했습니다. "잠재적인 응용 분야가 무궁무진합니다. 이 프로젝트가 결실을 맺게 되어 매우 기쁩니다."

해당 연구는 5월 21일 Nature Chemical Engineering 에 게재되었습니다.

공기를 액체로 바꾸다

수십 년 동안 공기 중 분자를 감지하는 능력은 액체 속 분자를 감지하는 능력보다 뒤처져 왔습니다. 그래서 병원에서 혈액 검사를 하고, 당뇨병 환자들이 매일 바늘로 찌르는 검사를 받는 것입니다. 심지어 집에서 코로나19 검사를 할 때도 액체 방울을 떨어뜨리는 과정이 필요합니다.

"우리는 휴대폰을 이용해 사진을 찍거나 음성을 녹음할 수 있지만, 공기 중의 화학 성분을 직접 볼 수 있는 기술은 없습니다." 이 연구의 제1저자이자 이전에 시카고 대학교에서 박사후 연구원을 지냈으며, 현재 노트르담 대학교에서 조교수로 재직 중인 징청 마의 말입니다.

문제의 일부는 희석입니다. 공기 중에서 찾고자 하는 입자(예: 주변에 떠다니는 바이러스 몇 개)는 1조 분의 1 정도로 작을 수 있습니다. 이는 검출기로서는 엄청난 작업이며, 지금까지는 크고 값비싼 장비가 필요했습니다.

시카고 대학 과학자 팀은 공기를 액체로 바꿔서 글자를 더 쉽게 읽을 수 있는 방법을 찾아 이 문제를 해결하고자 했습니다.

연구팀은 여러 부분으로 구성된 시스템을 설계했습니다. 먼저, 펌프가 공기를 빨아들여 측정합니다. 다음으로, 가습기가 수증기를 공급하고, 소형 냉각 시스템이 온도를 낮춥니다. 이렇게 하면 공기가 물방울로 응결되고, 관련된 입자는 내부에 부유합니다. 물방울은 특수 설계된 매우 미끄러운 표면을 따라 미끄러져 내려가 작은 저장소에 모입니다.

이를 통해 검출기는 기존의 쉽게 구할 수 있는 액체 검출 장비를 사용하여 액체 속 분자의 농도를 쉽게 알아낼 수 있습니다.

그들은 장치를 조립하면서 "휘발성" 분자라고 알려진 쉽게 증발하는 일부 유형의 분자를 포획할 수 있을지 확신하지 못했습니다.

초기 개념 증명 중 하나로, 마는 커피 한 잔을 시험 삼아 사용했습니다. 그는 기화된 커피를 시스템에 불어넣어 성공적으로 수집하고 감지할 수 있는지 확인했습니다. 액체가 응축되었을 때, 그는 작동 여부를 확인하기 위해 별도의 테스트를 거칠 필요조차 없었습니다. 액체에서 독특한 커피 향이 풍겨 나왔기 때문입니다.

추가 실험에서 그들은 호흡에서 포도당 수치를 성공적으로 감지하고, 공기 중의 대장균을 감지하고, 장내 미생물 건강이 좋지 않은 쥐의 우리에서 염증 지표를 찾아낼 수 있다는 것을 발견했습니다.

그들은 이 시스템의 이름을 ABLE(Airborne Biomarker Localization Engine)로 지었습니다.

새로운 능력

티안은 이 연구의 첫 영감은 수년 전 시카고 대학교 코머 어린이 병원의 스티븐 패밀리 신생아 집중 치료실을 방문한 데서 비롯되었다고 말했습니다. 당시 그는 초기 궤적 과학 센터(Center for the Science of Early Trajectories)에서 진행 중인 연구의 일환으로 이 병원을 방문했습니다.

센터 설립자인 에리카 클로드 교수는 채혈이나 기타 침습적 방법 없이도 미숙아들을 검사할 수 있는 방법이 있었으면 좋겠다고 생각했습니다.

신생아과 과장이자 소아과 스티븐 가족 교수인 클로드는 이제 이 새롭게 개발된 기술을 실제로 활용할 수 있기를 바라고 있습니다.

"미숙아는 우리가 의학적으로 돌보는 환자 중 가장 취약하고 연약한 환자 중 하나입니다."라고 그녀는 말했습니다. "이 기술의 잠재력은 새롭게 발견된 바이오마커를 비침습적으로 추적하여 이러한 미숙아 치료를 최적화할 수 있다는 것입니다."

연구원들은 다른 여러 용도도 생각해 낼 수 있습니다. 하지만 한 가지 난제가 있습니다. 공기 중 분자를 쉽게 감지하는 기술은 너무나 새로운 기술이어서 과학자들은 아직 어떤 분자를 찾아야 할지조차 알지 못합니다.

예를 들어, 이 그룹은 현재 염증성 장 질환을 치료하는 의사와 협력하고 있습니다. 염증성 장 질환 환자의 호흡에서 염증 표지자를 검출할 수 있을 가능성이 높지만, 먼저 이를 분류해야 합니다.

연구팀은 또한 디자인을 개선하고 소형화하여 착용하기 편리하게 만들고자 합니다.

마지막으로, 열유체역학 분야를 전공한 기계 엔지니어인 마는 물리학의 새로운 원리를 밝혀내는 데 큰 기대를 걸고 있습니다.

그는 "이번 연구는 이러한 공기 중 불순물이 상변화 행동에 어떤 영향을 미치는지에 대한 많은 새로운 연구를 시작할 수 있을 것이며, 새로운 물리학은 다양한 응용 분야에 활용될 수 있을 것"이라고 말했습니다.

시카고 대학의 과학자인 메건 라우네, 펭주 리, 징 루, 지핑 웨, 웨웨유, 제시카 클리어리, 케이틀린 올리펀트, 재커리 케슬러도 이 연구의 공동 저자로 참여했습니다.

연구진은 폴스키 창업 및 혁신 센터와 초기 궤적 과학 센터와 협력하고 있습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/05/250521124758.htm