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영어

In the recent years, some organic toxic chemicals were used for obtaining high-yield productivity in agriculture. The undegraded pesticides may remain in the agricultural foods through atmosphere, water, and soil and cause public health problems to environmental resources and human beings even at very low concentrations. Small amounts of pesticides can affect a central nervous system, resulting in immunogenic diseases, infertility problems, respiratory diseases and born marrow diseases, which can lead even to death. Monitoring of the environmental pesticide is one of the important issues for the human well-being. Several kinds of biosensors have been successfully applied to the detection of agrichemical toxicity. Also, few platforms for biocide detection have been definitely developed for the degradation and reaction of pesticides. Biochip and electrochemistry experiments involve immobilizing a receptor molecule on a solid substrate surface, and monitoring its interaction with an analyte in a sample solution. Furthermore, nanotechnology can be applied to make high-throughput analyses that are smaller, faster and sensitive than conventional assays. Some nanomaterials or nanofabricated surfaces can be coupled to biomolecules and used in antibody-based assays and enzymatic methods for pesticide residues. The operation procedure has become more convenient as it does not require labeling procedure. In this paper, we review the recent advances in agrichemical detection research and also describe the label-free biosensor for pesticides using various useful detection methods.

한국어

농작물 수확에 있어서 농부들은 병충해를 방지하고 최대 한 많은 양을 수확하기 위해 살균제, 제초제, 살충제와 같은 여러 가지 유기 독성 화합물들을 일정한 틀 없이 무작위로 사용하는 경우가 많다. ‘농약’이라 함은 수목 및 농림산물을 포함한 모든 농작물을 해하는 벌레, 균류, 세균, 바이러스, 잡초, 선충류, 설치류를 비롯하여 여러 해충으로 인한 피해를 방지하기 위하여 사용되는 화학물질, 합성물질 또는 천연 물질로서 살균제, 제초제, 살충제와 농작물의 생리기능을 증진 또는 억제하는데 사용되는 생장조절제 및 약효를 증진시 키는 성분을 가리키는 용어이다(1). 전 세계적으로 1,200가 지 이상의 화학물질이 농약으로 등록되어 있고 매년 대략 250 만 톤이 살포되고 있으며, 땅 속의 잔류농약은 공기, 물, 그리고 토양을 통해 먹이사슬에 들어갈 것이다. 그리고 이것은 생태계, 조류, 포유류 뿐 만아니라 인류에게도 여러 건강상의 문제를 일으키는 원인이 된다. 농약은 만성적으로 암이나 유전병을 유발할 수 있으며, 골수병, 불임, 정신 분열, 면역질환, 호흡기 질환을 발생시킬 수도 있다. 또한, 다량 노출될 경우 동공축소, 구토, 근육강직, 현기증, 경련, 혼수 등과 더 심한 경우 사망에 이를 수도 있다. 미국과 유럽의 경우, 이러한 문제에 대처하기 위해 새로운 법령을 적용하고 있다. 이 법령의 시행은 인간의 건강과 생태계에 좋지 않 은 영향을 주는 물질의 존재를 감시하기 위한 확실한 환경 모니터링이 반드시 수반되어야 한다. 인간에게 물속에 존재 하는 다른 여러 종류의 농약에 대한 허용치는 농작물의 종류에 따라 다소 차이가 있긴 하지만 0.01～50.0 ppm이 다(2). 농약은 화학구조 또는 용도에 따라 몇 가지 종류로 분류할 수 있으며 이들의 화학적 특성은 곧 건강영향의 특성 과 관련되어 있다. 지난 20년간 유기염소계 살충제 (aldrin, DDT, lindane 등)들은 환경에서 지속성이 낮게 영향을 주는 유기인계화합물 (malation, paraoxon, parathion 등)과 카바 메이트계 (aldicarb, carbaryl 등) 살충제들로 교체되어 왔지 만 이들은 높은 독성 때문에 심각한 위험성을 보이며 특히 농약 살포시 주변 토양 및 수질에 영향을 미쳐서 주변환경 의 오염이 더욱 심각한 것으로 나타났다(3). 농약의 분석을 위해 일반적으로 기체크로마토그래피 (GC), 고압액체크로마토그래피 (HPLC), 또는 GC/MS, LC/MS와 ELISA 방법 등이 있다(4, 5). 이들은 고감도의 신뢰성이 있 는 정확한 분석 방법이지만 고가의 장비와 전문적인 인력 이 필요하다는 단점을 가지고 있다. 또한 시간이 오래 걸리 고 복잡한 과정을 거치는 분석방법이기 때문에 현장 측정에 적합하지 않다. 그래서 농약의 분석을 위해 간단하고 편리 한 대안으로 바이오센서 시스템을 사용하고자 하는 것이 다. 바이오센서는 측정 가능한 신호를 얻기 위해 생물학적 성분 (효소, 전세포, 항체 등)과 전기적인 요소가 접목되어 있어서 강력한 크로마토그래피 분석방법들과 필적하지 않더 라도, 이들은 빠르고 신뢰할 수 있는 분석을 제공할 수 있다. 이 장치들은 고가 장비를 사용하기 전에 사전 스크리닝에 아주 유용하게 이용될 수 있다. 지난 약 30년 간, 효소, 전 세포, 항체 등을 사용하여 여러 가지 저렴하고 신속하게 농약검출이 가능한 바이오센서가 개발되어 왔다. 본 총설에 서는 농약검출용 바이오센서의 다양한 양상을 살펴보고 주요 특징들을 서술하고자 한다. 가장 많은 연구가 진행된 효소로서 acetylcholinesterase (AChE)는 대부분의 살충농약 검출용 바이오센서로 사용 되어져 왔다. 1950년대 초반에 농약 검출을 위해서 전위 차계 검출방법이 채택되었고, 1980년대 중반에는 AChE의 저해작용에 기반한 농약 검출용 바이오센서의 구조가 처음 으로 사용되었다. 이후 과학 기술의 급격한 변화는 유전자 조작이 이루어진 새로운 AChE를 도입하게 되었고 다른 효소들 또한 바이오센서의 개발에 사용되었다. AChE 반응 에서 발생하는 전류측정 방식 바이오센서의 주요 결점은 높은 전압을 필요로 한다는 것이다. 이것은 효소에 의한 생성물, choline의 산화반응, 그리고 바이오센서의 안정성을 감소시키는 원인이 된다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 tetracyanoquinodimethane(6)와 같은 mediator 및 탄소 전 극(7) 혹은 탄소나노튜브 (carbon nanotube; CNT)(8)와 같은 높은 전도성을 갖는 물질이 사용되어 졌다. 효소의 정제과정 을 피하고 비용을 줄이기 위해서 전세포가 변환기 (transducer) 표면에 직접 결합되기도 했다. 효소에 대한 저해작용을 기반 으로 한 농약 측정의 주요한 한계는 비선택성이다. 살충농약 검출 바이오센서의 선택성을 개선하기 위하여, 항체가 인식 수용체 역할을 하는 immunosensor가 도입되었다. 바이오센서 의 분석 효율을 개선하기 위해 potentiometry, amperometry, differential pulse voltammetry, piezoelectry, chemiluminescence, fluorescence, surface plasmon resonance (SPR) 등과 같은 여러 검출 방법들이 바이오센서 및 immunosensor와 결합 되어졌다(9, 10). 바이오센서로서의 선택성과 생촉매로서의 안정성은 주로 생촉매를 변환기의 표면에 결합시키는 고정 화 방법에 의해 제어되었다. 공유 결합 및 흡착과 같은 여러 고정화 방법들이 발전되어 왔으며, microfabrication 기술의 진보적 발전은 실제 샘플에서 농약 모니터링을 위하여 휴대 가 간편하며, 조작이 쉽고, 값이 저렴한 환경 친화적인 바이 오센서 칩과 스트립의 설계를 가능하게 했다. 살충농약 검출 바이오센서 기술이 극적으로 발전해 감에도 불구하고, 이것 의 상품화는 아직도 걸음마 단계이며 이를 위해 더 많은 연구가 필요한 실정이다. 살충농약 검출 바이오센서는 농업, 식품산업, 의료분야 에서도 아주 유용하다고 할 수 있다. 식품의 수출입업무에 서, 빠른 응답을 갖는 휴대용 바이오센서나 키트는 신속한 검출에 상당히 편리하게 활용될 수 있고, 만약 바이오센서 가 임상용 샘플 안에 존재하는 농약이나 독성물질을 선택 적으로 검출할 수 있는 능력을 가지고 있다면, 의료 분야 에서 진단과 치료를 위해 상당히 큰 이점을 가지고 활용 될 것이다. 소형화된 센서 스트립이나 키트는 상당히 편리 하게 적용될 수 있을 것이며, 특히, 생산단계에서의 품질 모니터링, 유통단계에서의 유통관리 및 판매자의 홍보, 그 리고 일반 가정에서 매일 사용하는 수질 및 농수산 식품 의 확인을 위한 수단으로 적용이 가능할 것이다. 또한 잔 류농약 검출을 관할하는 정부기관 및 유통센터에서의 간 단한 현장 검사에도 활용될 수 있을 것이다.