물질 포집 후 질량분석을 통해 측정하는 기존 꽃향기 분석 방법과 다르게 광학기법을 활용한 레이저 간섭계 기반 측정법을 개발하여 꽃향기 물질 분비 정도를 실시간으로 측정.
KAIST(총장 이광형)는 기계공학과 유체 및 계면 연구실 김형수 교수와 생명과학과 생태학 연구실 김상규 교수 연구팀이 공동 융합연구를 통해 세계 최초로 꽃향기가 나오는 것을 실시간으로 가시화하여 측정하는 데 성공했다고 10일 밝혔다.
두 연구팀은 기존 꽃향기 측정 방법과 완전히 다른 레이저 간섭계 기반의 휘발성 유기물 증기(VOCs, Volatile Organic Compounds)의 상대 굴절율 측정을 통해 백합에서 나오는 꽃향기를 시공간으로 직접 측정할 수 있는 결과를 획득했다. 기존 향기 측정 방법은 물질 포집 후 질량분석을 통해 양을 측정했기 때문에 꽃이 어떤 주기로 향기를 뿜어내는지 직접 알 수가 없었다.
꽃향기는 인간의 삶과 밀접한 화장품, 향수, 장식용 꽃 사업 등에서 중요한 요소 중 하나이기도 하지만 동시에 현화 식물이 여러 화분매개곤충과 교류하는 대표적인 수단 중 하나이기 때문에 꽃의 생식 및 진화에 큰 영향을 미친다.
꽃향기 분비 주기를 직접 관찰할 수 있는 이번 기술은 꽃향기 합성 및 분비에 관여하는 유전자를 찾고 화분매개곤충과 상호작용을 통한 꽃향기 물질 진화 연구에 활용될 것이다. 또한 향기 물질 분비를 제어할 수 있다면 원예 및 농작물 생산 증진에 영향을 끼칠 것으로 기대된다.
기계공학과 이길구 박사과정이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제학술지 `프론티어스 인 플랜트 사이언스(Frontiers in Plant Science)' 2022년 4월호에 출판됐다(논문명 : Real-Time Visualization of Scent Accumulation Reveals the Frequency of Floral Scent Emissions, https://doi.org/10.3389/fpls.2022.835305).
KAIST 기계공학과 김형수 교수는 "공기 중 증기나 가스를 가시화할 수 있는 기술이 더욱 발전될 수 있다면 위험 유해물질(HNS, Hazardous Noxious Substances)이 한정된 공간에 얼마나 노출됐는지 직접 알 수 있어 산업용이나 군사용으로도 확장이 가능하다ˮ고 말했다. 한편 KAIST 생명과학과 김상규 교수는 "이번 기술을 활용해 향기 물질 분비에 관여하는 유전자를 찾고 그 메커니즘을 밝혀나갈 것ˮ이라고 언급했다.
이번 연구는 KAIST 글로벌특이점 프렙 연구를 통해서 시작됐고, 연구재단의 중견연구와 농진청의 부분 지원으로 수행됐다.
붙임: 연구 개요,
□ 연구개요
1. 연구 배경
보이지 않는 것을 시각화한다면 우리가 알지 못하던 새로운 세계를 접할 수 있다. 특히 후각으로만 느낄 수 있는 신호인 냄새(향기)를 가시화하게 된다면 우리는 세상 에 소개되지 못했던 새로운 연구 분야를 개척 및 선도할 수 있다.
일반적으로 기초과학에서 향기를 분석하는 기존 방법은 특정 시간 동안 물질을 포집하여 질량 분석기 등을 통해 그 종류와 양을 측정한다. 또는 제한적 공간과 알려 진 물질만 측정할 수 있는 레이저 포인트 간섭 방법 등이 전부이다. 한편으로 산업 에서 쓰이는 가스센서들은 기체 중에 포함된 특정 성분 가스와 직접 접촉을 통하여 센싱되기 때문에 분포된 가스 중 국소 위치만을 측정하게 되는 한계를 가진다.
우리는 진부한 냄새(향기) 센싱 방법을 탈피하고 직접적으로 냄새(향기)를 가시화 하고자 한다. 이를 통해 (1) 꽃이 어떻게 향기를 발산하는지 그 분자생물학적 메커니즘을 연구하는 기초과학 분야에서부터 (2) 위험유해물질을 시공간적으로 직접 가시화하여 산업현장 및 실생활 안전 예방에 활용하고자 공동 연구를 시작하였다.
2. 연구 내용
기체의 흐름을 가시화하는 연구를 진행해온 공학자와 식물이 만들어내는 향기 물질을 분석하고 그것의 생태적인 기능을 연구하는 생물학자와의 공동연구를 통해 기존 향기 물질 측정법과는 전혀 다른 접근을 시도하고자 하였다.
꽃향기를 실시간으로 측정하기 위해 광학기법을 이용하고 공기중에 퍼지는 휘발성 화학물질의 상대굴절률 차이를 레이저-간섭계 기법으로 직접 가시화하였고, 이를 통해 꽃향기가 어떻게 분비되고 있는지 향기 분비 패턴에 대해 최초로 밝혔다.
3. 기대 효과
기초 연구 분야에서는 실시간 증기 가시화 광학 측정 시스템을 통해 꽃향기를 가시화하는 원천기술로 사용될 수 있을 것으로 기대된다. 꽃향기 분비의 실시간 가시화는 아직 우리가 모르는 꽃향기 분비 메커니즘을 풀 수 있는 중요한 단서가 되기 때문에 아무도 하지 못했던 연구 주제를 선도할 수 있을 것이다. 뿐만 아니라 산업에서는 기존의 고정형 센서가 하지 못했던 산업현장 및 공공장소에서 보이지 않는 유독가스의 확산을 직접 가시화할 수 있어 유해 냄새 물질 측정, 가스 유출 측정 등 고위험 산업현장의 안전성 및 경제성을 보장하고, 위험유해물질 측정을 통해 공공장소에서 피해 예측 및 대피 방법을 효과적으로 제시 가능할 것으로 기대된다.
