JILA, 1000배 향상된 콤 브레서라이저로 4가지 생체표지자 검출

JILA 과학자들이 10년 된 주파수 콤 브레서라이저(Frequency Comb Breathalyzer)의 감도를 1000배 높여, 질병의 추가 생체표지자 4가지를 검출할 수 있게 되었으며 잠재적으로 6가지 더 검출 가능합니다. 검증되고 휴대용 설계로 구현되면, 콤 시스템은 사람 호흡의 실시간 비침습적 분석을 통해 질병을 감지하고 모니터링할 수 있을 것입니다. JILA는 국립표준기술연구소(NIST)와 콜로라도 대학교 볼더 캠퍼스가 공동 운영합니다.

JILA 시스템은 레이저 주파수 콤이 거울 유리관을 왕복하며 호흡 샘플을 통과할 때 흡수된 빛의 색상과 양을 측정하여 화학 물질을 '지문화(fingerprint)'합니다. 최근 업그레이드에는 분석 빛 스펙트럼을 근적외선에서 중적외선 대역으로 이동(더 많은 분자가 빛을 흡수하는 대역)하고, 광학 코팅 및 기타 여러 기술 발전을 통해 검출 감도를 조(parts-per-trillion) 수준까지 달성한 것이 포함됩니다.

미국립과학원회보(Proceedings of the National Academy of Sciences)에 기술된 바와 같이, NIST/JILA 펠로우인 준 예(Jun Ye)와 데이비드 네스빗(David Nesbitt)은 자원봉사자의 호흡에서 메탄올(CH₃OH), 메탄(CH₄), 물(H₂O), 중수(HDO) 형태 4가지 생체표지자를 검출하고 모니터링했습니다. 이들은 메탄의 경우 장 문제 등 건강 상태의 지표입니다.

연구자들은 같은 장치로 포름알데히드, 에테인, 카르보닐 설파이드, 에틸렌, 이황화 탄소, 암모니아 등 6가지 화학 물질을 추가로 검출하는 것이 가능하다고 말합니다. 또한 콤 레이저를 더 깊은 적외선으로 확장하면 검출 능력이 크게 확대되어 수백 가지 미량 호흡 화학 물질의 식별이 가능해질 것입니다.

JILA 연구자들은 2008년 프로토타입 콤 브레서라이저를 시연했지만 당시에는 더 발전시키지 않았습니다. COVID-19 검사 가능성 덕분에 이제 다시 집중하고 있습니다. "우리는 이 기술을 실제 의료 응용으로 추진하는 데 매우 낙관적이고 전념하고 있습니다."라고 예는 말했습니다.

호흡 연구에서 가장 널리 쓰이는 분석 기술은 기체 크로마토그래피와 질량 분석법의 결합으로, 수백 가지 호기 분자를 검출할 수 있지만 느리게 작동하여 수십 분이 소요됩니다. 미국 FDA 승인을 받은 대부분의 광학 호흡 검사는 단 한 가지 화학 물질만 검출합니다.

호흡 분석은 주파수 콤의 주요 의료 응용 분야입니다. 콤은 넓은 스펙트럼 커버리지, 고해상도, 고감도를 결합하여 잠재적으로 수십 가지 화학 물질을 동시에 검출할 수 있습니다. 다른 장점으로는 화학 시약과 복잡한 실험실 시설이 필요하지 않다는 점이 있습니다.

예와 네스빗은 이제 다른 NIST 연구자들과 협력하여 브레서라이저의 소형 버전을 엔지니어링하고 있습니다. 튜브 길이는 55cm(21.7인치)에 불과하지만, 레이저 콤은 맞춤 제작되어 다소 부피가 큽니다.