중국과학원 화학 연구소 산하 ‘생체 분석 화학 중국과학원 중점 실험실’ 연구팀은 국가자연과학기금위원회, 중국과학원의 관련 과학연구 비용 지원 하에 동물 조직 매스 스펙트럼 이미징 기술 연구를 실행하여 선후로 다양한 작은 분자의 새로운 매트릭스를 개발하였으며(Anal. Chem. 2012, 84, 465; Anal. Chem. 2012, 84, 10291; Anal. Chem. 2013, 85, 6646), 세미 뇌허혈(Semi cerebral ischemia)(Anal. Chem. 2014, 86, 10114), 종양 이전 등 바이오 모델 실험용 작은 쥐(Anal. Chem. 2015, 87, 422)의 뇌, 신장, 비장 등 조직에 대한 분자 조직학 매스 스펙트럼 이미징 연구를 실행하여 혁신적인 성과를 취득하였다.

최근 연구팀은 관련 연구를 통해 일종 범용적이고 라벨이 없는 직접 매스 스펙트럼 이미징 방법을 개발하여 실험용 작은 쥐 체 내의 탄소 나노튜브, 그래핀 및 탄소 양자점 등 탄소 나노 재료에 대해 신속한 검출을 실행할 수 있는 동시에 계량적 이미징을 실행할 수 있는 연구에 성공하였다. 연구팀의 관련 연구 성과는 과학저널 `네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)’ 최신호에 발표되었다(Nature Nanotech. 2015, 10, 176).

탄소 나노 재료는 독특한 물리화학 특성을 보유하고 있기 때문에 재료학 분야에서 폭넓은 응용 전망을 보유하고 있다. 최근 연간 탄소 나노 재료는 약물 전송, 광 동력학 치료, 조직 공정 및 바이오 이미징 등 분야에서 중요한 가치를 나타내기 때문에 바이오 의학 연구 분야 이슈 재료로 부상한 상황이다. 하지만 탄소 나노 재료의 바이오 효과 및 바이오 안전성 문제에 대해 과학자들은 아직도 논쟁을 하고 있는 상황이다. 생물 조직 중의 탄소 나노 재료의 바이오 분포 연구는 중요한 실제 가치를 보유하고 있으며 특히 서브 조직 장기의 바이오 분포 이미징 연구는 나노 재료와 생물체 간의 상호 역할을 해석하는 면에서 중요한 역할을 발휘한다. 하지만 지금까지 이런 분야 연구에서는 실용적이고 효과적인 방법이 여전히 부족한 상황이다.

탄소 나노 재료의 생물 모니터링 혹은 이미징에 대해 일반적으로 방사성 동위 원소 혹은 형광 라벨 방법을 사용하고 있는데 시간 소모가 클 뿐만 아니라 마커가 분리될 수 있는 가능성이 존재하기 때문에 일정한 제한성을 보유하고 있다. 라벨이 필요하지 않은 광 스펙트럼학 방법은 이미징 속도가 늦고, 발광 신호가 취약하고, 백그라운드 간섭이 강한 등 단점을 보유하고 있다. 매스 스펙트럼 이미징 기술은 일종 생물 샘플 형태와 분자 정보를 동시에 취득할 수 있는 검출 수단을 제공하기 때문에 각 종 유형 분자는 10미크론 및 이하 수준의 공간 해상도에서 독립적으로 검출될 수 있도록 한다.

이런 기술은 내생성(Endogenous) ‘라벨이 필요하지 않는 방법’에 속하는데 분자가 모두 고유의 질량을 보유하고 있기 때문에 분자가 이온화만 되면 검출해 낼 수 있게 된다. 매스 스펙트럼 이미징 중에서 제일 많이 사용되는 분자 이온화 방법은 매트릭스 보조 레이저 분해 흡수/이온화(MALDI) 방법이지만 유기 매트릭스(일반적으로 측정 대상 물질의 10,000배 수준에 달함)와 목표 샘플이 공동 결정을 형성하고 레이저 조사를 실행해야 하는 상황이다.

매트릭스가 레이저 방사를 흡수한 후 신속하게 여기 되고 증발된 후 공동 결정 샘플은 증기 상태 환경에 이전되며 샘플 분자는 매트릭스의 전하 이전을 통해 이온화를 실현하게 된다. 하지만 공동 결정에 적합한 매트릭스를 찾아내기가 어렵기 때문에 MALDI 매스 스펙트럼이 탄소 나노 재료를 완벽히 검출해 내는 능력에 대해서는 입증이 되지 않은 상황이다. 만약 매트릭스가 존재하지 않는다면 완벽한 분석 물질은 증기 상태 환경 속에 방출되기 어려운 상황이다. 동시에 탄소 나노 재료의 거대한 분자량도 매스 스펙트럼이 검출할 수 있는 질량 범위를 대폭 초월하고 있는 상황이다.

이런 문제점을 해결하기 위해 연구팀은 전통적인 매트릭스를 포기하고 탄소 나노 재료가 자외선 레이저를 이용하여 이온을 분리 흡수하는 과정에서 생성되는 고유의 탄소 음이온 클러스터(C2-C10) 지문 신호를 발견하고 이용하였는데 동 매스 스펙트럼 신호는 그 어떤 생물 분자의 백그라운드 신호 간섭을 받지 않는 것으로 나타났다. 연구팀은 비행 시간 매스 스펙트럼을 결합한 동시에 실험용 작은 쥐 체 내 탄소 나노 재료의 서브 장기 매스 스펙트럼 이미징 및 계량 분석을 실현하는데 성공하였다.

연구팀은 탄소 음 이온 클러스터 매스 스펙트럼 지문 신호에 대한 발견을 통해 전통 매스 스펙트럼 방법이 직접적으로 나노 재료를 검출해 내지 못하는 난제를 해결하였으며 질량 신호 창구를 매스 스펙트럼 민감 정도가 높은 작은 분자 질량 범위로 이전시키는데 성공하였다. 전통적인 마커 방법에 비해 연구팀이 개발한 레이저 분해 흡수 이온 매스 스펙트럼 분석 방법은 내생성 화학 신호를 사용하였기 때문에 마커 매트릭스가 생체 순환 과정 속에서 분리, 쇠퇴 혹은 불활성화 생성을 피할 수 있도록 하였다. 이런 방법은 라벨이 필요하지 않은 광 스펙트럼 방법에 비해 높은 신호대잡음비(SNR), 낮은 백그라운드 간섭 및 정확하고 정밀한 강점을 보유하고 있는 것으로 나타났다.

연구팀은 이번 연구를 통해 탄소 나노튜브, 그래핀 및 탄소 양자점의 서브 생체장기 생물 분포를 입증하고 비교하였다. 연구팀은 이번 연구를 통해 탄소 나노 튜브와 탄소 양자점이 신장 속에서의 주요 분포 및 외부 실질적인 구역을 발견하였다. 비장 조직 속에서 이런 세 가지 탄소 나노 재료는 주로 비장의 레드 매스 구역에 분포되어 있으며 주변 구역 중의 탄소 나노튜브의 농도가 제일 높다는 점을 발견하였다. 계량 분석 결과, 사이즈가 비교적 크지만 수정을 거치지 않은 탄소 나노튜브와 그래핀은 주로 폐 조직 속에 대량 집중되어 있으며 탄소 양자점은 주로 내피망 시스템(Reticular endothelial system) 속 풍부한 간장과 비장 속에 남아 있다는 점을 입증하였다.

그 외, 연구팀은 이번 연구를 통해 탄소 양자점이 실험용 작은 쥐 장기 속에서 초장(超長)의 제거 시간을 보유하고 있다는 점을 발견하였다. 연구팀은 이번 연구를 통해 연구팀이 개발한 관련 방법은 실험용 작은 쥐 종양 조직 속 약물 캐리어의 탄소 나노튜브 이미징 및 이황화 몰리브덴(Molybdenum disulfide) 2차원 재료의 조직 이미징 연구 분야로 확대할 수 있다는 점을 발견하였다.

연구팀은 관련 응용 및 과학 발견을 통해 연구팀이 개발한 관련 방법은 매스 스펙트럼 이미징 및 계량 방법과 결합할 수 있는 강점을 보유하고 있다는 점을 한층 더 입증하였다. 연구팀이 개발한 관련 방법은 나노 재료와 바이오 시스템 간의 상호 역할에 대한 연구를 실행하는데 응용할 수 있을 뿐만 아니라 일종 탄소 나노 재료, 심지어 기타 나노 재료 바이오 분석 분야에서 보편적으로 응용할 수 있는 방법으로 발전시킬 수 있다는 점을 발견하였다.

연구팀의 관련 연구 성과가 발표된 후 과학저널 `네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)’는 국제 유명 매스 스펙트럼학 전문가인 Richard W. Vachet를 초청하여 동 학술지 ‘뉴스 시각(News Perspective)’ 전문 평가 코너에서 이번 연구 성과에 대한 평가를 실행하였다.

Richard W. Vachet는 “연구팀은 이번 연구를 통해 혁신적인 이미징 기술을 개발한 동시에 효율적인 생체 계량 나노 재료 방법을 제공하였는데 이런 기술과 방법은 나노 재료 및 부근의 단백질 혹은 기타 바이오 분자를 검출하는 분야로 응용을 확대할 수 있는 강점을 보유하고 있으며 이번 연구 성과는 심층 차원에서 바이오 분자와 재료의 상호 역할을 해석할 수 있는 분야에 응용할 수 있기 때문에 이번에 취득한 연구성과는 생체 나노 재료의 매스 스펙트럼 이미징 연구 분야에서 밝은 응용 전망을 보유하고 있는 중대 연구 성과에 속한다”고 평가하였다.