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KAIST부설 한국과학영재학교 온라인 과학매거진 코스모스

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도핑검사의 원리는 무엇일까?

9월 18 업데이트됨

화려한 개회식과 국가별 선수들의 입장, 뜨거운 열정을 가지고 경쟁하는 다양한 스포츠들…. 원래라면 3달쯤 뒤에 열려야 했을 2020 도쿄 올림픽이 안타깝게도 1년 연기되고 말았다. 선수들도 이에 맞춰 1년 동안 추가로 훈련과 몸 관리를 잘해야 할 것이다. 그러나 준비 과정에서 이것만은 사용해서는 안 된다. 바로 약물 복용, 도핑(doping)이다.

스포츠에서의 범죄, 도핑

수많은 사람들이 올림픽이나 스포츠 대회에서 좋은 성적을 거두기 위해 열심히 노력한다. 이들의 엄청난 노력이 수포로 돌아가지는 않도록 막아야 할 것이다. 도핑(doping)은 일시적으로 운동선수의 신체적/정신적 능력을 향상시키는 약물로, 신체의 건강을 해치고 스포츠 정신에도 위배되기 때문에 금지된다. 대부분의 스포츠 대회들은 도핑 검사를 엄격히 진행시키고, 세계 올림픽 위원회(IOC)에서는 아예 도핑 검사를 실시하는 세계반도핑기구(WADA)를 직접 만들었다. 영국의 프리미어리그에서는 가끔씩 경기가 끝난 직후 랜덤으로 도핑 검사를 실시하기도 한다. 그만큼 세계에서 도핑은 엄격하게 금지되어 있다.


WADA에서 금지한 약물들은 안드로겐, 혈액 도핑, 펩타이드 호르몬, 각성제, 이뇨제와 마약 및 칸나비노이드류 총 6가지 종류로 구분할 수 있다.


안드로겐은 보통 테스토스테론과 에피테스토스테론의 분비를 촉진시킨다. 대표적인 예시로는 프라스테론(Dehydroepiandrosterone, DHEA)이 있다. 혈액도핑을 인공적인 적혈구의 주입으로, 산소 운반의 양과 효율을 증가시키는데 주로 사용한다. 펩타이드 호르몬은 근육세포의 크기와 산소 운반 적혈구의 양을 증가시키고, 대표적인 예시로는 Beta-2 agonist와 Erythropoiesis-stimulating agent가 있다. 각성제는 중추신경계에 직접적으로 영향을 주어 혈액 순환 속도와 심박수를 증가시킨다. 금지된 각성제로는 암페타민(Alpha-methylphenethylamine)가 있다. 이뇨제는 운동선수에게 중요한 체중 감량을 크게 시켜주고, 다른 약물들의 감지를 어렵게 하므로 금지되었다. 마약과 칸나비노이드류는 부상의 고통을 느끼지 못하게 만들기 때문에 무리하게 밀어붙이는 것을 예방하기 위해 금지되었다.

WADA에서 금지한 대표적인 약물, Acetazolamide

이렇게 수많은 약물들이 공정한 스포츠를 위해 금지된다. 운동선수들은 경기나 대회 전후로 혈액검사나 소변검사를 통해 검사받는다. 그렇다면 고작 혈액이나 소변으로부터 어떻게 도핑을 한지 알 수 있을까?

크로마토그래피란?

중학교를 졸업한 사람이라면 ‘크로마토그래피(Chromatography)’에 대해 배웠을 것이다. 물론 너무 오래되어 기억나지 않을 수도 있지만, 기본적으로 도핑검사의 원리는 크로마토그래피이다. 크로마토그래피는 혼합물을 분리하는데 사용하는 기본적인 방법으로, 혼합물은 이동상이라는 유체에 녹아있으며, 정지상이라는 구조(고체)를 따라 움직이게 된다. 이때 혼합물과 고정상사이의 인력, 그리고 혼합물과 고정상사이의 인력이 혼합물 마다 다르므로 이 비율을 통해 특정 물질이 있는지 없는지를 알 수 있는 것이다. 이렇게 물질마다 다른 인력을 지녔으므로, 이를 분배계수(partition coefficient)로 나타낼 수 있다.

분배계수와 이동상과 고정상에 분배된 시료의 농도의 관계

크로마토그래피에도 여러 가지 종류가 있다. 크게 정지상의 특성으로 나눈 크로마토그래피와 이동성의 특성으로 나눈 크로마토그래피가 있다. 전자는 관 크로마토그래피, 종이(또는 얇은 막)크로마토그래피가 있고, 후자는 기체 크로마토그래피와 액체 크로마토그래피가 있다. 도핑검사를 할 때는 보통 액체 크로마토그래피(liquid chromatography)와 함께 질량분석기(mass spectrometer)를 사용한다. 그러나 혈액도핑의 경우는 조금 예외이다. 혈액도핑은 혈액 속의 적혈구의 수와 헤모글로빈의 수를 분석해서 알아낸다. 이 이유는 혈액도핑은 산소 운반에 도움을 주는 적혈구를 분리해내어 경기 시작 직전에 투입하는 식이므로, 적혈구 수가 과다하게 많다면 혈액 도핑을 의심해볼 수 있다.

액체 크로마토그래피와 질량분석기

두 검사를 합쳐서 보통 LC-MS 검사라고 한다. LC-MS의 단자(interface) 발전은 다음과 같이 이어진다. Moving-belt interface → Direct liquid introduction interface → Thermospray interface → FAB Based Interface. 먼저 액체 크로마토그래피에 대해 알아보자.


액체 크로마토그래피는 액체 혼합물의 성분이 2 개의 비혼합상, 즉 정지상과 이동상 사이에 분포되는 물리적 분리 방법이다. LC는 흡착 크로마토그래피, 분배 크로마토그래피, 이온 교환 크로마토그래피, 크기 배제 크로마토그래피 및 친화성 크로마토그래피 총 5가지 종류로 분류 될 수 있다. 이들 중에서 가장 널리 사용되는 변형은 비분극성(소수성) 정지상 및 극성 이동상을 사용하는 분할 크로마토그래피 기술의 역상(RP)모드이다. 이 경우 이동상은 물과 다른 극성 용매(ex: methanol, isopropanol 및 acetonitrile)의 혼합물이며, 고정상은 알킬기(ex: n-octadecyl 또는 C18)를 불규칙하게, 또는 구형의 5 μm 직경의 실리카 입자의 표면형태로 배치한다.


보통 20 μl의 샘플이 고압 펌프에 의해 이동상으로 주입된다. 혼합물의 성분은 이동상 및 정지상과의 화학적 친화도에 따라 분리되는데, 액체가 정지 층과 상호 작용할 때 발생하는 반복 된 수착 및 탈착 단계 후에 분리가 일어난다. 액체 용매(이동상)는 고압(최대 400 barr)하에서 정지상을 함유하는 패킹 된 칼럼으로 전달된다(일정한 유속을 달성하려면 고압이 필요하다). 따라서 칼럼은 LC 시스템의 가장 중요한 구성 요소이고, 액체의 고압을 견딜 수 있도록 설계되었다. 기존의 LC 칼럼은 길이가 100–300mm이고 외부 직경은 6.4mm, 내부 직경은 3.0–4.6mm 이다. LC-MS와 관련된 응용 LC의 경우, 크로마토그래피 칼럼의 길이는 3–5 μm 직경의 포장 입자로 짧아진다(30–50 mm). 응용 LC 칼럼은 더 작은 내부 직경을 가져 보다 효율적인 분리가 가능하며 1 ml/min 미만의 액체 흐름을 처리한다. 분리 효율과 피크 분해능을 향상시키기 위해 HPLC 대신 초고성능 액체 크로마토그래피(UPLC)를 사용할 수도 있다.


액체 크로마토그래피 분석 이후 질량분석도 하게 된다. 질량 분석법(MS)은 하전 입자의 질량 대 전하 비율(m/z)을 측정하는 분석 기법이다. 질량 분석계에는 여러 종류가 있지만 모두 전기 또는 자기장을 사용하여 샘플에서 생성된 이온의 움직임을 조작하고 m/z를 결정한다. 질량 분석기의 기본 구성 요소는 이온 소스, 질량 분석기, 검출기, 데이터 및 진공 시스템 등이 있다. 이온 소스는 MS 시스템에 도입 된 샘플의 성분이 전자 빔, UV 광선, 레이저 빔 또는 코로나 방전에 의해 이온화되는 곳이다. 전기 분무 이온화의 경우, 이온 소스는 액체 용액에 존재하는 이온을 기체상으로 이동시킨다. 이온 소스는 중성 샘플 분자를 기체상 이온으로 변환하고 조각화하여 질량 분석기로 보낸다. 질량 분석기는 질량을 기준으로 이온을 분류하기 위해 전기장과 자기장을 적용하는 반면, 검출기는 이온 전류를 측정 및 증폭하여 각 질량 분해 이온의 존재비율을 계산한다. 사람의 눈으로 쉽게 알아볼 수 있는 질량 스펙트럼을 생성하기 위해 데이터 시스템은 컴퓨터에 데이터를 기록, 처리, 저장 및 표시한다.

LC-MS Spectrum of each resolved peak

글을 마치며

수많은 사람들이 좋은 결과를 원하지만, 그러기 위해서는 그에 걸맞은 노력이 필요하다는 것은 너무나도 당연하다. 무한불성(無汗不成)이라는 말이 있다. 땀을 흘리지 않으면 어떠한 일도 이루지 못한다는 말이다. 목표를 달성하기 위해 넘어야 할 수많은 산맥들이 있을 것이다. 하지만 할 수 있다는 마음을 품고 진심으로 덤비면 무엇이든지 할 수 있을 것이다. 스포츠도 마찬가지다. 정직하게 노력하여 결과를 달성하는 것이 스포츠의 참된 아름다움일 것이다.


참고자료

[1] https://www.wikipedia.org/

[2] https://www.wada-ama.org/

[3] https://cleancompetition.org/2017/06/08/the-chemistry-of-doping/


첨부 이미지 출처

[1] https://www.wikipedia.org/

[2] 직접 제작

[3] https://www.wikipedia.org/

KOSMOS CHEMISTRY 지식더하기

작성자│정인환

발행호│2020년 봄호

키워드#도핑검사 #크로마토그래피



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