내뱉는 호흡, '날숨'으로 알 수 있는 것들

우리가 하는 호흡에서 폐에 있는 공기를 밖으로 내보내는 '날숨'을 통해 알 수 있는 것들이 있다.

음주운전 측정 감지기

가장 먼저 떠오르는 것은 음주운전 측정이다. 지난 9월부터 경찰은 신형 음주운전 단속 복합감지기를 전국 현장에 도입했다. 기존의 비접촉식 감지기도 운전자가 부는 과정이 필요 없이 호흡 중에 나오는 성분을 분석하는 방식이었지만, 실내 환기 등을 통하면 알코올 감지도가 떨어지는 단점이 있었다. 경찰 측은 이번 기기는 접촉·비접촉 감지가 모두 가능하고 알코올 감지센서를 개선했으며, 모터로 공기를 흡입하는 방식을 적용해서 정확성을 높였다고 설명한다.

음주 측정은 기본적으로 날숨을 확인하는 방식이다. 우리가 술을 마시게 되면 알코올의 10%는 땀이나 소변 등을 통해 체외로 배출되지만 90%는 위와 장에서 소화·흡수된다. 흡수된 알코올은 분해되어 아세트산으로 바뀌기도 하고 일부는 이산화탄소로 분해되어 폐를 통과하며 밖으로 나오게 된다. 이때 나오는 폐의 공기, 즉 날숨 2100ml와 혈액 1ml에 녹아 있는 알코올의 양이 같다는 '혈액호흡 분배비율'을 적용해서 혈중알코올농도를 측정하게 된다.

음주측정기에는 두 개의 백금 전극판이 들어있다. 알코올과 산화 반응을 일으키는 백금의 성질을 이용한 것으로, 날숨에 알코올 분자가 있으면 백금 전극과 화학반응을 일으켜 전류가 만들어지게 되는데 이 전류를 측정해 알코올 농도 수준을 수치로 알 수 있게 되는 것이다.

요소호기 검사

우리는 건강검진을 하는 과정에서 위내시경을 하게 된다. 그래서 촬영된 영상을 가지고 상담을 하다 보면 헬리코박터 파일로리균 감염에 대한 의심사항을 발견하고 혈액검사를 통해 완전한 확인이 되는 경우가 있다. 이 경우 의사와의 상담을 통해 몇 주간의 항생제 치료를 진행하게 되는데 완치 여부를 확인할 때는 대부분 '요소호기검사'를 하게 된다. (호흡 중 '호'기의 숨으로 내쉬는 숨이라 하여 날숨을 호기라고도 부른다.)

요소호기검사는 헬리코박터 파일로리균이 요소를 암모니아, 이산화탄소로 분해하는 성질을 이용한 검사법이다. 정상적인 위에는 요소분해 효소가 없기 때문에 요소 약을 먹으면 그대로 배설되지만 헬리코박터균이 있으면 화학반응을 일으키고 날숨으로 동위원소가 나오게 된다. 이를 측정해서 완치 여부를 확인하는 것으로 간편하면서도 정확도가 높다.

구취 센서를 통한 질병 모니터링

나노과학분야 학술지 '에이씨에스 나노(ACS Nano)' 8월 호에는 한국과학기술원(KAIST)의 신소재공학과 김일두 교수와 삼성전자 종합기술원 남궁각 전문연구원 공동 연구팀의 구취 센서에 관한 논문이 게재되었다. 발표된 센서 플랫폼은 날숨에 포함된 미량의 바이오마커(biomarker, 질병의 진행 정도를 진단하는 생체지표) 가스를 선택적으로 감지해서 질병을 실시간으로 모니터링할 수 있는 기술이다.

이번 기술에서 소개된 황화수소 가스는 구취 환자에게서 높은 농도로 배출되는 생체지표 가스다. 연구팀이 발표한 것은 이런 황화수소와 높은 반응성을 보이는 나트륨 촉매를 금속산화물 나노섬유 감지 소재층에 도입해서 가스 선택성을 향상시키고, 활성도가 높은 백금 촉매를 결합해 감지 성능을 획기적으로 높이는 방식이다.

우리가 내뱉는 호기가스에는 수분, 아세톤, 톨루엔, 암모니아뿐만 아니라 황화수소, 메틸메르캅탄(methanethiol), 디메틸설파이드(dimethyl sulfide) 등의 화합물도 포함되어 있다. 그뿐만 아니라 대부분의 생체지표 가스들이 매우 미량의 농도인 10억 분의 1(ppb)에서 100만 분의 1(ppm) 수준으로 호흡 속에서 배출되기 때문에 정확한 분류와 분석에 어려움이 높았다고 한다. 

이번 연구에서는 1ppm의 황화수소 가스에 대해 780배 높은 감도를 보이고, 에탄올 가스에 대해서도 277배 높은 수준의 감도를 보였다. 

포인트경제 김민철 기자