크로마토그래피

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한국식품연구원 과학교실 '빨간색의 소름 돋는 정체'

우리가 일상에서 즐겨 먹는 새빨간 사탕은 과연 단 한 가지 색소로만 이루어져 있을까요? 우리 눈에는 단순한 하나의 색깔처럼 보일지라도, 실제로는 여러 가지 물질이 복합적으로 섞여 있는 경우가 많습니다. 이처럼 두 가지 이상의 물질이 각자의 고유한 성질을 유지한 채 섞여 있는 것을 '혼합물'이라고 정의합니다. 공기나 소금물은 물론, 우리가 매일 마시는 우유나 주스 역시 다양한 성분이 어우러진 혼합물의 대표적인 사례라고 할 수 있습니다. 사탕 속의 숨겨진 비밀을 밝히는 과정은 마치 탐정이 되어 단서를 찾는 일과 같습니다. 혼합물을 이루는 성분들은 각자 다른 특징을 가지고 있어 이를 활용하면 다시 하나씩 분리할 수 있습니다. 알갱이의 크기가 서로 다른 모래와 자갈은 체를 이용해 걸러내고, 용해도 차이를 이용해 소금과 모래를 분리하기도 합니다. 소금물에서 물을 증발시켜 소금을 얻는 염전의 원리 역시 이러한 혼합물의 분리를 활용한 것입니다. 하지만 사탕처럼 모든 성분이 액체에 녹아 있거나 입자가 매우 작은 경우에는 일반적인 도구만으로는 그 내부의 성분을 정밀하게 파악하기 어렵습니다. 그래서 우리는 눈에 보이지 않는 작은 세계를 들여다볼 방법이 필요합니다. 이때 활용되는 것이 바로 '크로마토그래피'라는 기술입니다. 이는 여과지에 색소를 찍고 용매가 스며들게 하여 성분을 분리하는 방식으로 이루어집니다. 섞여 있는 각 성분이 여과지를 타고 이동하는 속도가 다르다는 점을 이용하는데, 이는 마치 달리기 시합을 하는 선수들이 각기 다른 속도로 결승선을 향해 달려가는 모습과 비슷합니다. 이동 속도가 빠른 성분과 느린 성분이 서로 다른 위치에 멈추게 됨으로써, 우리는 비로소 혼합물 속에 숨어 있던 여러 가지 색깔과 물질을 명확하게 확인할 수 있습니다. 이러한 크로마토그래피의 원리는 전문적인 과학 연구 현장에서도 활발하게 활용되고 있습니다. 한국식품연구원에서는 첨단 분석 장비인 '컬럼'을 사용하여 식품 속에 섞여 있는 수백 가지의 첨가물을 정밀하게 분석합니다. 아주 미세한 향기 성분까지도 분석이 가능하여, 그것이 자연에서 유래한 향인지 아니면 인공적으로 만들어진 합성 향료가 사용되었는지까지 구분해낼 수 있습니다. 눈에 보이지 않을 만큼 작은 성분들까지 놓치지 않고 찾아내는 이 기술은 식품 속에 숨겨진 모든 단서를 찾아내는 강력한 탐정의 돋보기와 같습니다. 과학적인 분석을 통해 밝혀진 식품의 성분 정보는 우리 식탁의 안전을 책임지는 중요한 기초 자료가 됩니다. 식품이 정말 안전한지 확인하고, 나아가 더 건강하고 맛있는 식품을 개발하기 위한 연구의 토대가 되기 때문입니다. 우리가 매일 안심하고 간식을 먹을 수 있는 배경에는 보이지 않는 곳에서 성분을 꼼꼼하게 분석하는 과학자들의 노력이 숨어 있습니다. 교과서 속 이론으로만 느껴졌던 크로마토그래피 원리가 실제로는 우리의 건강을 지키고 식생활의 질을 높이는 데 필수적인 역할을 수행하고 있는 셈입니다.

한국식품연구원

화학
공학·기술

[국산연구장비 활용 캠페인] 4편 한국기초과학지원연구원 방정규 책임연구원

신약 개발의 세계에서 펩타이드는 단백질의 3차원 구조를 기반으로 하는 핵심적인 화합물로 평가받습니다. 당뇨병 치료제로 유명한 인슐린이나 옥시토신처럼 연간 수십조 원 이상의 시장을 형성하는 펩타이드 기반 약물은 현대 의학에서 빼놓을 수 없는 존재입니다. 이러한 고부가가치 물질을 연구하기 위해서는 고성능 액체 크로마토그래피(HPLC)라는 정밀 분석 장비가 필수적입니다. 연구 초기에 직면한 막대한 예산의 장벽은 오히려 국내 기술로 제작된 국산 HPLC 장비에 주목하는 계기가 되었으며, 이는 기초 과학 연구의 자립을 향한 중요한 첫걸음이 되었습니다. 지난 10여 년간 연구 현장에서 활용된 국산 HPLC는 세계적인 학술 성과를 도출하는 데 결정적인 기여를 해왔습니다. 세계 5대 우수 저널로 꼽히는 ‘저널 오브 메디시널 케미스트리’의 표지 논문을 장식한 화합물들이 모두 국산 장비로 정제되었다는 사실은 시사하는 바가 큽니다. 현재 미국 국립암연구소나 일본 오사카 대학 등 해외 유수의 기관과 진행하는 공동 연구에서도 우리 기술로 추출한 물질들이 활발히 사용되고 있습니다. 이는 국산 과학 장비가 글로벌 표준에 부합하는 정밀도와 신뢰성을 갖추었음을 입증하는 객관적인 지표라고 할 수 있습니다. 국산 장비의 실질적인 강점은 우수한 경제성과 신속한 유지보수 환경에 있습니다. 외산 대비 부품 가격이 10분의 1 수준에 불과해 연구 비용을 획기적으로 절감할 수 있으며, 지리적 이점을 바탕으로 몇 시간 내에 유지보수를 받을 수 있다는 점은 연구 효율을 극대화합니다. 다만 펩타이드 합성기나 분리 정제의 핵심인 컬럼 기술 분야는 여전히 수입 의존도가 높은 실정입니다. 앞으로 장비의 본체뿐만 아니라 핵심 소모품까지 국산화가 완성된다면, 대한민국은 신약 개발의 전 과정을 우리 기술로 주도하는 기술 강국으로 도약할 수 있을 것입니다.

한국기초과학지원연구원

화학
생명과학
공학·기술

[2019 화학창의 콘텐츠 공모전 수상작] Bokja Magic School

평범한 17세 소년 박수현은 어느 날 갑자기 마법사가 되어 '복자 매직 스쿨'에 입학하게 되었습니다. 주변 친구들은 마법의 힘에 익숙해 보이지만, 수현은 여전히 창조적인 과학적 사고를 바탕으로 비과학적인 현상들을 분석하려 노력합니다. 그는 전교 수석 학생답게 상쾌한 아침을 맞이하며 일상 속에서 과학적 원리를 적용하곤 합니다. 대표적인 예로 페놀프탈레인 용액을 활용해 수용액의 pH를 측정하며 환경을 점검하는 것이 그의 습관입니다. 마법의 세계에서도 수현은 자신만의 논리적인 방식을 통해 주변에서 일어나는 여러 사건을 해결할 준비를 마칩니다. 이러한 화학적 원리는 범죄 현장에서 육안으로 보이지 않는 혈흔을 찾고 범인을 식별하는 데 매우 효과적으로 사용됩니다. 마법 학교에서 일어난 의문의 사건 현장에서도 수현은 이 원리를 활용하여 숨겨진 증거를 찾아내기 시작합니다. 혈액 속의 헤모글로빈이 반응하여 루미놀 반응을 일으키는 현상을 이용하면, 아무리 감추려 해도 진실의 단서가 드러나게 됩니다. 과학은 때로 마법보다 더 정교한 힘을 발휘하여 우리가 미처 보지 못한 사건의 이면을 선명하게 비추어 줍니다. 이 기법은 신비로운 현상들 속에서 명확한 논리적 근거를 제시합니다. 사건의 진실을 밝히기 위해 수현이 도입한 또 다른 분석 기법은 크로마토그래피입니다. 크로마토그래피는 시료의 성분들이 매질 내에서 이동하는 속도의 차이를 이용해 각 성분을 분리하고 분석하는 과학적 방법입니다. 주로 혈액이나 소변 성분을 정밀하게 분석하여 특정한 약물이나 성분의 존재 여부를 파악하는 데 유용하게 사용됩니다. 수현은 이러한 과학적 수사 기법을 통해 범인이 남긴 단서를 정교하게 추적합니다. 마법이라는 신비로운 베일에 싸인 사건일지라도, 결국 치밀한 과학적 증명을 거치면 진실은 반드시 명확하게 드러나게 된다는 것을 그는 보여주고 있습니다.

한국화학연구원

화학

[케미스트리 실험실] 약 하는 박사님과 과학쿠키_아스피린(1)

아스피린은 우리 생활에서 흔히 접하는 해열 진통제이지만, 그 제조 과정에는 흥미로운 화학 반응이 숨어 있습니다. 실험의 첫 단계는 살리실산 2g을 정밀하게 측정하는 것으로 시작됩니다. 여기에 반응물로 무수 아세트산을 준비하고, 반응을 촉진하는 촉매로 강산인 황산을 소량 추가합니다. 시료를 정확히 계량하는 과정은 수득률을 결정짓는 중요한 요소이기에, 실험자의 세심한 주의가 필요합니다. 이 세 가지 물질이 만나 플라스크 안에서 조화를 이루며 본격적인 합성의 준비를 마칩니다. 합성 실험에서는 액체 시료의 정확한 부피 측정이 필수적입니다. 무수 아세트산의 자극적인 냄새를 고려하여 정밀한 주사기를 활용해 4.3ml를 정확히 추출합니다. 이때 주사기 끝에 남는 데드 볼륨(Dead volume)까지 고려하는 섬세함이 실험의 완성도를 높여줍니다. 플라스크에 담긴 살리실산과 무수 아세트산이 마그네틱 바에 의해 고르게 섞이는 '교반' 과정을 거칩니다. 시료들이 잘 섞여야 반응이 균일하게 일어나기 때문에, 일정한 속도로 회전하는 교반은 화학 반응의 효율성을 극대화하는 핵심적인 단계입니다. 적절한 온도와 시간은 화학 반응의 성공을 결정짓는 변수입니다. 미리 85도로 맞춰진 항온 수조(Water bath)에 플라스크를 담가 약 15분간 가열을 진행합니다. 반응 중에 이물질이 들어가거나 내부 물질이 튀는 것을 방지하기 위해 입구를 마개로 막아 안전을 확보합니다. 15분이라는 시간은 정해진 기준일 뿐, 실제로는 반응의 완결 여부를 실시간으로 확인해야 합니다. 양이나 환경에 따라 반응 속도가 달라질 수 있기에, 화학자들은 단순히 시간을 기다리는 대신 과학적인 분석 방법을 동원하여 다음 단계를 준비하게 됩니다. 반응이 얼마나 진행되었는지 확인하기 위해 박층 크로마토그래피(TLC) 분석을 수행합니다. 이는 초등학교 시절 경험했던 종이 크로마토그래피와 원리가 같으며, 실리카가 코팅된 유리판을 사용합니다. 혼합물의 각 성분은 고정상인 실리카와 이동상인 용매 사이에서 서로 다른 인력을 가집니다. 분자 간의 극성 차이로 인해 용매를 따라 이동하는 속도가 달라지고, 이로 인해 반점(Spot)들이 분리되는 것입니다. 이러한 '삼각관계'와 같은 물질 간의 밀고 당기는 힘을 이용해 원하는 생성물이 만들어졌는지 판단합니다. 분리된 화합물들은 대부분 무색이기 때문에 육안으로는 확인이 어렵습니다. 따라서 UV 램프를 비추어 형광 반응을 살피거나 과망간산칼륨과 같은 발색 시약을 사용하여 숨겨진 반점(Spot)을 찾아냅니다. 연필로 용매의 전개 높이를 표시하고 각 물질의 이동 거리를 비교함으로써 합성의 성공 여부를 최종적으로 검증합니다. 화학은 단순히 정해진 절차를 따르는 것이 아니라, 끊임없이 미지의 영역을 분석하고 증명해가는 학문입니다. 이러한 정밀한 실험 과정을 통해 우리는 흔한 약 한 알 뒤에 숨겨진 거대한 과학의 세계를 엿볼 수 있습니다.

한국화학연구원

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