식품유래 병원성 박테리아(foodborne pathogenic bacteria)의 조기 감지는 질병 발생을 예방하고, 대중 건강을 보호하는 데 중요하다. 불행하게도 ISO 방법 6579, 형광 항체(FA; fluorescent-antibody), 효소 결합 면역 흡착 측정법(ELISA; enzyme-linked immunosorbent assay) 또는 중합 효소 연쇄 반응(PCR; polymerase chain reaction) 등과 같은 현재의 검출 기술은 시간 소모적인 방법이며 분석 방법에 대한 민감도가 제한적이다. 따라서 기존의 방법은 실시간으로 박테리아를 검출하는 능력이 부족하여 적절하지 않다.

이 연구는 식품 안전, 의료용 진단, 수질 및 대테러 작전(counter-terrorism) 등과 관련이 있는 미생물을 격리 및 감지하기 위한 효율적인 전략을 개발하려는 시급한 수요에 따라 수행됐다. 필요한 것은 대장균과 다른 병원균의 신속하고 민감하며 신뢰할 수 있을 뿐 아니라, 단순한 격리 및 감지를 수행할 수 있는 대체 방안이다.

최근 중국 연구진은 높은 민감도(sensitivity)와 재현 가능성(reproducibility)을 가지고 박테리아와 바이러스를 단일 단계로 검출하기 위하여 MRS(magnetic relaxation switch)와 자력 분리(MS; magnetic separation)를 결합하는 자성 구슬(MB; magnetic bead)을 기반으로 하는 센서를 개발했다.

연구진은 관련 연구 결과를 2015년 3월 6일 ACS Nano 저널 온라인 판에 보고했다. 관련 연구의 제목은 “병원균과 바이러스의 단일 단계 검출: MRS(magnetic relaxation switch)과 자력 분리의 결합(One-Step Detection of Pathogens and Viruses: Combining Magnetic Relaxation Switching and Magnetic Separation)”이다.

박테리아와 바이러스를 검출하는 상용 분석 방법과 비교하여, MS-MRS 분석 방법은 까다로운 전처리와 정제 등이 필요하지 않고 쉽게 운영될 수 있으며, 현장 진단 테스트(POCT; point-of-care tests)로 적용될 수 있다고 중국 베이징 나노과학 및 기술 국립 연구소(NCNT; National Center for Nanoscience and Technology) 산하 화학생물학과 교수인 Xingyu Jiang은 밝혔다.

기존의 MRS-기반의 접근은 다음과 같은 두 가지 문제를 겪고 있다. 1) 분석을 수행하기 전 시료의 전처리를 수행해야 하기 때문에, 시스템 운영이 다소 복잡하다. 2) 많은 요인이 결과 도출에 영향을 끼치고, 때때로 정확한 결과를 얻기 위하여 예를 들면, 박테리아 또는 바이러스와 같은 시료가 무엇인지 선험적으로 알고 있어야만 한다.

Jiang과 그의 동료 연구진이 개발한 MS-MRS 센서는 0.01T의 일반적인 정지 자성인 작은 자기장(magnetic field)이 30 nm 크기의 작은 자성 구슬(축약하여 MB30)로부터 250 nm의 큰 크기의 자성 구슬(축약하여 MB250)을 분리할 수 있는 현상을 이용한다.

MB250은 자체적인 높은 포화 자기화(saturation magnetization)를 이유로 1분 이내로 이러한 작은 자기장에 의해 신속하게 분리될 수 있다. 이와 비교하여 이 연구에서 MRS의 자성 탐침으로 사용된 MB30은 낮은 포화 자기화를 이유로 60분 후에조차 동일한 자기장에 의해 분리될 수 없다.

MB30과 MB250의 분리 속도에서 큰 차이를 기반으로, 연구진은 판독 자료로 분산된 MB30 주위의 물의 횡이완 시간(T2; transverse relaxation time)을 사용했다고 Jiang은 설명했다. 분해 물질이 많을수록 더 적은 MB30이 남아 있고 T2는 더 커진다고 Jiang은 밝혔다.

연구진은 먼저 작은 크기의 MB30으로부터 MB250을 분리하기 위하여 0.01 T의 자기장을 적용했으며, 면역학적 검정(immunoassay)의 신호 판독으로 MB30 주변의 물 분자의 T2를 사용했다. MS-MRS 센서는 목표 대상 강화(target enrichment), 추출 및 검출 등을 단일 단계로 통합했으며, 전체 면역학적 검정이 30분 이내에 완성시켰다. 전통적인 MRS 센서와 비교했을 때, MS-MRS 센서는 강화된 민감도, 보다 더 우수한 재현 가능성 및 편리한 운영 등을 보여 주었으며, 따라서 현장 진단 테스트에 대한 유망한 토대를 제공할 수 있었다.

그는 MS-MRS 센서에서 자성 신호가 시료에서 분해 물질의 양에만 관련이 있으며, 따라서 MS-MRS는 상용 MS 센서에서 확인되는 주요 문제점 중 두 가지 문제점을 개선한다고 지적했다.

1. 민감도(sensitivity) : MS-MRS의 민감도는 우유 시료에서 살모넬라균의 검출에 대하여 상용 MRS 센서와 비교하여 2배 이상 개선됐다.
2. 안정성(stability) : 분석 방법 간 상대 표준 편차(RSD; relative standard deviation)와 분석 내 RSD는 상용 MRS 센서의 RSD보다 더 낮았다.

MS-MRS 센서를 배치한 POCT의 장래는 유망하다고 Jiang은 밝혔다. 심장 마비, 암 및 당뇨 등과 같은 질병을 대한한 생물 지표를 위한 분석의 신속한 판독을 가능하게 하는 휴대용/착용 가능한 장치를 확보하는 것은 헬스 케어 진단을 비약적으로 변화시킬 수 있을 것이라고 Jiang은 밝혔다.