초전도체 기반 NMR의 원리와 신약 연구개발에서의 활용

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✔️ 안녕하세요. 의치한약수 메디컬 학과 학종 세특의 교과서, 고품격 심화탐구 전문 메디컬저널입니다.

상온/상압 초전도체 LK-99 논란

✔️ 지난 7-8월 전세계 과학계에 한국발 초전도 초광풍이 불었습니다. 지난 110여년간 극저온과 초고압의 조건에서만 구현되었던 초전도체 특성이 상온/상압에서 구현될 수 있다는 발견은 노벨상을 받을 만큼의 엄청난 파급력을 지닌 발견인 만큼 관련 주식들이 연일 상한가를 기록하는 등 전세계가 집중하는 과학계 이슈가 되었습니다.

❗️연구의 이론적 측면에 대해서는 많은 긍정적 혹은 부정적 의견이 있었으나, 해당 이론에 따라 세계의 수많은 연구 기관에서 재현한 결과에 따르면 LK-99는 초전도성을 나타내지 않는 것으로 확인된다는 의견이 대다수를 이뤘으며 무엇보다도 세계 최고 권위의 과학 저널 네이처에서는 LK-99가 초전도체가 아니라는 결론을 내렸습니다.

물론 해당 논란이 아직까지 완전한 결론을 얻은 것은 아니며 국내 연구진은 여전히 초전도체가 맞다는 입장을 피력하고 있는 만큼 완전한 결론을 위해서는 더 시간이 필요할 것으로 보입니다.

❗️ 초전도체를 공부하는 우리는 해당 논란의 진실 여부보다는, 지난 110여년간 불가능으로 보였던 상온 상압 초전도체의 가능성과 또한 전세계적으로 엄청난 이슈를 몰고온 것은 상온/상압 초전도체가 응용적 측면에서 엄청난 잠재력을 가지기 때문이라 점에 주목할 필요가 있습니다.

⇢ 이러한 중요성에 착안하여, 우리는 이번 탐구를 통해, 물리1, 통합과학에서 소개되는 초전도체에 대해 살펴보고 이를 의약학적으로 응용한 기술들과 그 원리, 활용을 탐구해보도록 하겠습니다. 내용이 많은 만큼 이번 탐구는 아래와 같이 2편으로 나누어 살펴보도록 하겠습니다.

① 초전도체의 활용, NMR의 기본 원리와 이를 신약연구개발에 활용하는 내용에 대해 다룹니다. 해당 내용은 약학 진로를 희망하는 학생들이 지난 FT-IR, XRD 등의 분석장비 탐구와 연계하여 생기부를 구성하면 좋을 듯 합니다.

② NMR의 기본 원리를 적용한 의료 진단 장비 MRI의 심화 원리와 그 적용, 활용적 이점에 대해 탐구합니다. 의대를 희망하는 학생들의 경우 해당 내용을 지난 탐구였던 CT, X-ray 등(영상의학 진단장비)과 연계하여 생기부를 구성하면 좋을 듯 합니다.

‣ 또한 ①, ② 를 서로 다른 과목 세특으로 모두 기재하는 것 역시 유기적 생기부를 구성하는데 좋은 옵션이 될 것으로 기대됩니다.

‣ 내용이 어려울 수 있으나, 차근 차근 읽어나가면 충분히 이해하실 수 있도록 작성하였습니다. 이해가 되지 않으시는 부분은 댓글로 질문 부탁드립니다.

✔️ 지난 수개월간 국내를 비롯해 전세계를 떠들썩하게 한 상온 상압 초전도체 LK-99 논란을 보며 물리1/통합과학에서도 소개되는 초전도체가 어떤 응용적 잠재력을 가지고 있기에 상온 상압 초전도체의 발견이 이토록 큰 주목을 끄는지가 궁금하였다. 초전도체의 활용이라고 하면 전기, 전자 분야가 주를 이룰 것으로 생각되는데 그렇다면 내가 진로로 하는 의학/약학에는 초전도체가 어떻게 활용되고 있을까? 이러한 궁금증을 해결하기 위해 이번 탐구에서는 초전도체를 활용한 NMR의 원리와 신약 연구개발 단계에서의 활용에 대해 조사/정리해 보았다.

반자성체와 초전도체(superconductor)

✔️ 물리1에서 소개되는 반자성체란 외부 자기장이 없을 때는 자성이 나타나지 않으나, 외부 자기장을 가했을 때 외부 자기장에 의해 유도된 원자 자석들이 외부 자기장의 방향과 반대 방향으로 자기화 되어 외부 자기장을 만드는 자석을 밀어내는 반자성을 띠는 물질을 의미합니다.

❗️초전도체는 특정 온도 이하에서 외부 자기장을 가했을 때 자기장을 밀어내는 반자성을 나타냅니다. 이러한 현상을 마이스너 효과라 하며 이는 초전도체를 구분 짓는 중요한 특징 중 하나가 됩니다.

❗️반자성의 자기적 성질 뿐만 아니라, 임계온도(Tc) 이하에서 초전도체는 전기 저항이 0이 되는 전기적 특성을 나타내는데, 이는 에너지 손실 없이 강한 전류를 영원히 흘려줄 수 있음을 의미하므로 초전도 케이블 등에 활용될 수 있습니다. 또한 강한 전류는 강한 자기장을 지속적으로 형성할 수 있음을 의미하며 앞서 설명한 반자성의 특성을 지속시켜 자기부상열차 등으로 활용될 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.

※ 그런데 문제는 현재까지 발견된 초전도체 물질들은 초저온의 임계온도를 가진다는 것이며, 즉 이러한 초전도 현상을 활용하기 위해서는 매우 낮은 온도를 지속해주어야 한다는 것입니다. 현재까지 발견된 초전도체 중 가장 높은 임계온도를 가지는 것으로 알려진 이붕화 마그네슘 조차도 39K의 임계온도를 가지며 이는 섭씨 -234도에 해당합니다.

이러한 온도를 유지하기 위해서는 끓는점이 -269°C인 액화 헬륨 혹은 -196°C인 액화 질소 등이 활용되는데, 이때 현실적으로 이 비용을 감당할 수 있는 NMR, MRI와 같은 작은 스케일의 장비에만 초전도체가 활용되고 있으며 자기부상열차, 초전도 케이블 등의 상용화를 위해서는 잠재적 상온 초전도체인 LK-99와 같이 상온 조건에서 초전도 특성을 가지는(임계온도가 높은) 물질의 발견이 필요합니다.

핵 스핀과 핵자기 모멘트

✔️ NMR(Nuclear magnetic resonance)와 MRI(Magnetic resonance imaging)은 동일한 원리로 작동되는 기기이며, 실제로는 'NMR' 자체가 그 원리가 됩니다. NMR 원리를 통한 분석 기법, 혹은 장비를 우리는 관습적으로 NMR이라 부르며 이를 영상 진단(imaging) 목적으로 활용하는 의료 진단 장비가 바로 MRI 입니다.

그 이름에서 알 수 있는 것 처럼, NMR과 MRI는 원자핵(Nuclear)의 자기적(Magnetic) 공명(Resonance), 즉 '핵 자기 공명' 현상을 기본 원리로 하고 있습니다. 이에 앞서 우리는 핵스핀과 핵 자기 모멘트에 대한 이해가 필요합니다.

❗️우리가 통합과학, 화학, 물리에서 배우는 것처럼 원자는 원자핵과 전자로 이루어져 있습니다. 또한 원자핵은 양전하를 띠는 양성자와, 전하를 나타내지 않는 중성자로 구성되어 있으며, 수소를 제외한 자연에 존재하는 대부분의 원소들은 동일한 수의 양성자와 중성자가 원자핵을 구성하고 있습니다. NMR과 MRI는 이러한 원자핵의 전자기적 특성에 기반하고 있습니다.

❗️우리는 화학1에서 전자 배치 규칙을 배울 때, 전자가 두가지 스핀 방향을 가지며 하나의 오비탈에 채워지는 두 전자는 반대 스핀 방향을 가져야 한다는 것을 배웠습니다(파울리 배타 원리). 또한 물리1 과목의 '물질의 자성' 단원에서 전자의 스핀이 존재하며 이로 인해 자기장이 발생한다는 것을 배웠습니다.

이때 '스핀(spin)'이란 축을 기준으로 회전하는 것을 의미하는데 이는 전자 뿐만 아니라 양성자와 중성자 등의 소립자에서 나타나는 특성입니다. (실제 물리적으로 회전하는 것을 의미하는 것은 아니며, 물리적으로 회전하는 것과 같은 효과가 발생하는 것을 의미합니다.)

❗️이때, 핵 스핀이란 원자핵의 전체적 스핀을 의미합니다. 그런데 우리가 전자 배치에서 살펴본 것 처럼, 두 전자는 한 오비탈에서 업스핀과 다운스핀의 반대 방향으로 존재하게 됩니다. 이러한 파울리 배타 원리는 양성자와 중성자에도 해당되는데, 양성자와 또다른 양성자, 그리고 중성자와 또다른 중성자는 서로 반대 방향의 스핀으로 존재하게 되며 이를 페어링(pairing, 짝지음)이라 합니다.

서로 반대 방향 스핀의 페어링으로 인해 전체 스핀은 0으로 상쇄되는데 따라서 짝수개의 양성자 혹은 짝수개의 중성자가 존재할 때 각각 2개씩 반대 방향 스핀으로 페어링이 일어나며 그 결과 전체 핵 스핀은 0으로 사라지게 됩니다.

이러한 이유로, 원자핵이 핵스핀을 가지기 위해서는 홀수개의 양성자 혹은 홀수개의 중성자를 가져야 합니다. 이러한 특성을 가지는 대표적 원소로서 양성자 1개가 원자핵을 구성하는 수소원자와, 탄소 동위원소의 일종인 13C(양성자6개, 중성자7개)가 있습니다.

원자핵의 스핀이 존재할때, 양자역학적으로 이러한 스핀 상태를 나타내는 양자 값(불연속적인 특성, 상태를 나타내는 값)으로서 '핵 스핀 양자수(I)'라는 값이 정의됩니다. (간단하게, 원자핵이 어떻게 스핀하고 있는지 상태를 나타내는 고유 특성 값이라고 생각합시다) 양성자와 중성자의 개수가 짝수인 경우 이 값은 0이 됩니다. 이때, 가능한 핵스핀의 배향 방향(핵스핀 상태)은 2I+1로 정의됩니다. (그냥 그렇구나 하고 받아들이시길 바랍니다.)

1H와 13C 모두 핵스핀 양자수(I) 값은 1/2이며, 따라서 가능한 핵스핀 방향(핵 스핀 상태)은 2가 됩니다(업스핀 and 다운스핀). 수소와 13탄소에서 핵 스핀 양자수(I)가 1/2인 것은 고유 특성인 것이므로 의문을 품을 필요가 없습니다.

❗️원형 도선에 전류가 흐를 때, 그 내부를 관통하는 자기장이 형성되는 것과 마찬가지로 전하를 띠는 입자의 회전은 자기장을 형성합니다. 물리1에서 전자의 스핀으로 인해 자기장이 발생하는 것과 마찬가지로, 양성자의 스핀은 자기장을 만들 수 있고, 중성자 역시 전체 전하는 0에 해당하지만 그 내부의 쿼크들은 전하를 나타내므로 중성자의 스핀 역시 자기장을 만들어낼 수 있습니다.

양성자와 중성자를 모두 고려한 '핵 스핀'이 존재할 때, 원자핵은 자기장을 만들어내며 이러한 자기장의 방향과 세기를 벡터로 나타낸 것을 '핵 자기 모멘트'라 합니다.

※ 원자핵의 경우 핵스핀의 방향과 핵 자기 모멘트의 방향이 일치합니다. (전자는 반대)

제이만 효과(Zeeman effect)와 핵자기 공명 현상

# 외부 자기장과 제이만 효과

✔️ 우리는 앞서, 핵 스핀이 존재할 때, 가능한 핵 스핀의 방향 수에 대해 살펴보았습니다. 대표적으로 핵스핀을 가지는 1H 와 13C는 두가지 핵스핀 방향(두가지의 핵스핀 상태)을 가질 수 있습니다. 각각의 원자 핵(1H 원자핵 혹은 13C 원자핵)들은 외부 자기장이 존재하지 않을 때는 두가지 핵스핀 방향 중 하나로 무작위하게 존재하고 있습니다. 즉 +1/2(업스핀)의 상태와 -1/2(다운스핀)의 상태인 원자핵 갯수는 무작위하며 결정되어 있지 않습니다.

❗️그런데, 외부 자기장이 존재하는 경우, 두 가지의 핵스핀 상태에 확률적 분포가 나타나는데(볼츠만 분포) 이는 두가지 스핀 상태에서 에너지의 차이가 발생하기 때문입니다. 핵 스핀의 두가지 상태(방향)는, 핵 스핀에 의해 만들어지는 자기 모멘트의 방향이 외부 자기장의 방향과 일치하거나 핵 스핀에 의해 만들어지는 자기모멘트의 방향이 외부 자기장의 방향과 반대가 되는 두가지로 존재합니다.

① 만약 핵 스핀에 의해 만들어지는 자기모멘트의 방향이 외부 자기장의 방향과 일치하는 경우 이는 두 벡터간의 상호작용을 최소화 하여 낮은 에너지의 비교적 안정된 상태를 유발합니다.

② 반면 핵 스핀에 의해 만들어지는 자기모멘트의 방향이 외부 자기장의 방향과 반대가 되는 경우 자기장의 상쇄가 일어나며 이는 큰 상호작용으로 에너지가 큰 불안정한 상태를 유발합니다.

⇢ 즉 외부 자기장에 의해 가능한 두가지 핵 스핀의 상태 사이에 에너지적인 차이가 만들어지며, 핵 스핀은 더 낮은 에너지 상태(외부 자기장과 핵스핀이 같은 방향)로 더욱 많이 존재하는 확률 분포(볼츠만 분포)를 나타내게 됩니다.

이처럼 외부 자기장에 의해 핵스핀 상태에 에너지 차이가 발생하고 에너지적으로 갈라지는 현상은 제이만 효과(Zeeman effect)에 의한 것입니다. (본래 제이만 효과는 원자나 분자의 방출 스펙트럼이 여러개의 선으로 갈라지는 현상을 나타내는 것입니다)

# 핵 자기 공명

✔️ 제이만 효과에 의해 외부 자기장이 존재하는 상황에서 원자핵은 그 스핀 상태에 따라 두가지 에너지 수준으로 나누어지게 됩니다. 즉 예를 들어 수소 원자핵 대부분은 낮은 에너지 상태로 존재하며, 적은 수의 수소 원자핵은 높은 에너지 상태로 존재하게 됩니다.

❗️핵 자기 공명 현상은 우리가 통합과학, 지구과학, 물리에서 배우는 선 스펙트럼 현상과 매우 유사합니다. 흡수 스펙트럼은 낮은 에너지 수준(바닥 상태)에서 높은 에너지 수준(들뜬 상태)으로 전자가 전이할 때 그 에너지에 해당하는 파장의 빛을 흡수함으로서 나타나며 방출 스펙트럼은 높은 에너지 수준에서 다시 낮은 에너지 수준으로 전자가 돌아갈 때 그 에너지가 빛으로서 방출되는 것입니다.

핵 자기 공명(Nuclear Magnetic Resonance : NMR)은 이와 동일하게, 낮은 에너지 상태의 원자핵이 에너지를 흡수함으로서 높은 에너지의 스핀 상태로 점프하게 되고, 그 이후 다시 낮은 에너지 상태로 되돌아 올때 에너지를 방출하는 현상을 의미합니다. 이때 가시광선의 빛을 에너지의 형태로 하는 스펙트럼과는 달리 핵 자기 공명에서의 에너지는 라디오파에 해당합니다.