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문제 정의
- 이러한 물질투과성과 고유 스펙트럼을 이용하여 THz 분광 및 영상 기술이 발전되고 있고, 생물, 의료, 환경, 식품, 농업 등 여러 분야에 응용하려는 시도가 활발하게 이루어지고있다. 이에 본고에서는 THz 분광/영상 기술의 식품분야 응용을 확산하기 위한 일환으로 식품의 품질이나 안전관리에 응용한 최신 연구 사례를 살펴보았다.
제안 방법
- Chua 등은 THz파의 수분에 대한 정밀도를 이용하여 소맥분에서 수분을 측량하였다. 0.1~2.0 테라헤르츠 범위 내에서 각기 다른 수분 함유량(8%, 12%, 18%)을 측정하고 예측 모델을 구축한 다음 시료의 수분 함량을 측정하였다(Chua et al., 2004).
- 그 결과, 반사 혹은 투과의 측정에 의해 모두 다른물질로 구분할 수 있었다. Globus는 여러 종류의 다른 세균을 식별할 수 있는가에 대한 연구를 실시하였다. 시판 푸리에변환적외선분광기를 사용하여 투과분석을 실시한 결과, 3~10 cm-1의 THz대역 범위내에서 여러 종 세균의 특징 흡수 피크를 얻었다.
- 테라헤르츠 전자기파 분광을 이용하면 기존의 방식과는 다른 방법으로 다양한 분자의 회전에너지(rotation energy)나 진동에너지(vibration energy)에 관련한 주파수 값을 파악하여 농약, 항생제와 같은 화학물질의 검출에 응용할 수 있다(Tonouchi, 2007). THz-TDS 분광 기술을 사용하여 2종류의 농약(imidaclo-prid와 Mancozeb)을 측정하였다. 0.
- , 2016). 멜라민의 고유 스펙트럼과 이미지는실온에서 THz-TDS를 이용하여 0.1-3 THz 주파수범위에서 측정하였다. 2, 2.
- 08 THz에서 나타나는 피크를 식이보충제 내 비타민 C 함량을 분석하기 위한 지문으로 선택하였다(그림 5). 비타민 C 농도 이외의 THz 흡광도에 영향을 미치는 태블릿의 곡율, 두께, 부형제 등을 살펴본 다음 비타민 C농도 결정에 이를 보정하였다. 그런 다음 시판 중인 비타민 C 식이보충제 제품(n = 50)을 THz-TDS와 HPLC를 이용하여 분석한 결과 두 방법은 잘 일치하는 것으로 나타났다(그림 6).
- , 2018). 비타민 C의 특징적인 흡수 피크를 양자학적 계산으로 분석하여 각 흡수의 분자 기원을 밝힌 다음, 1.08 THz에서 나타나는 피크를 식이보충제 내 비타민 C 함량을 분석하기 위한 지문으로 선택하였다(그림 5). 비타민 C 농도 이외의 THz 흡광도에 영향을 미치는 태블릿의 곡율, 두께, 부형제 등을 살펴본 다음 비타민 C농도 결정에 이를 보정하였다.
대상 데이터
- THz 영상 및 X-선 검출기로 측정된 라면분말에 은닉된 벌레와 귀뚜라미 이미지. (a) 벌레 사진 (1: 길이 11 mm, 두께 2 mm, 2: 길이 8 mm, 두께 2 mm, 3: 길이 15 mm, 두께 2.5 mm, 4: 길이 22 mm 두께 3 mm). (b) 라면분말에 은닉된 벌레 사진), (c) 라면분말에 은닉된 벌레의 CW THz 영상(필터링 전).
- THz 영상 및 X-선 검출기로 측정된 라면분말에 은닉된 알루미늄과 화강암 조각의 이미지. (a) 알루미늄 사진 (1: 1 mm 정육면체, 2: 2 mm 정육면체, 3: 3 mm 정육면체, 4: 4 mm 정육면체). (b) 라면분말에 은닉된 알루미늄 조각 사진), (c) 라면분말에 은닉된 알루미늄 조각의 CW THz 영상(필터링 전).
성능/효과
- THz-TDS 분광 기술을 사용하여 2종류의 농약(imidaclo-prid와 Mancozeb)을 측정하였다. 0.2~2.0 THz 대역에서 흡수율과 굴절율을 측정한 결과, 두 종 농약의 고유 흡수 피크가 관찰되었고, 굴절률 역시 현저한 차이를 보였다. Zhang 등은 THz-TDS 분광 기술을 이용하여 유기인계 농약의 분광 스펙트럼을 계산에 의한 결과와, 푸리에변환적외선분광법(FTIR)과 THz-TDS 분광법에 의해 얻은 실험 결과와 비교하였다.
- 1-3 THz 주파수범위에서 측정하였다. 2, 2.26, 2.6 THz에서 멜라민의 특정 흡수피크가 나타났고, 이 흡수 지문은 분유나 초코분말과 같은 식품 매트릭스에서도 동일한 주파수에서 나타났다. 멜라민은 2 THz에서 얻은 THz 이미지에서 농도 의존적으로 식별되었으며, 포장된 식품에서도 같은 결과가 나타났다.
- Jordens 등은 초콜렛 속에 혼합되어 있는 직경 1 mm의 금속 나사, 유리 파편 등의 이물에 대해 테라헤르츠 분광과 영상 분석을 실시하였다(Jordens and Koch, 2008). 그 결과, THz 시간영역 파형의 분석을 통해 초코렛의 성분 물질과 기타 불순물을 구분해 내었고, 테라헤르츠 영상 처리 분석을 통해 초콜렛 속에 혼합된 유리 파편을 성공적으로 검출하였다.
- Globus는 여러 종류의 다른 세균을 식별할 수 있는가에 대한 연구를 실시하였다. 시판 푸리에변환적외선분광기를 사용하여 투과분석을 실시한 결과, 3~10 cm-1의 THz대역 범위내에서 여러 종 세균의 특징 흡수 피크를 얻었다. Alexei는 대장 간균, 아포 간균과 그들의 DNA 분자공진 분광을 얻었으며, 아포 간균 포자의 공진 분광과 DNA 분자의 공진 분광의 존재에는 커다란 상관성이 있다는 사실을 발견하였다(25).
- 멜라민은 2 THz에서 얻은 THz 이미지에서 농도 의존적으로 식별되었으며, 포장된 식품에서도 같은 결과가 나타났다. 식품중 농도별로 첨가된 멜라민을 검정곡선으로 나타내었을 때 0.913 이상의 직선성을 나타내었고 13% 이하의 검출한계를 보였다. 이는 펄스형 THz 분광 및영상 기술은 빠르고 쉽게 식품 위변조 물질 중 하나인 멜라민을 검출할 수 있으며, 포장된 식품의 비파괴 분석도구로 잠재능력을 가지고 있어 앞으로 다양한 식품 산업에 활용될 수 있다는 것을 나타낸다.
- 또한 카바메이트계 살충제인 메소밀 등 다양한 농약이 식품 및 식품원료에 잔류되어 건강상 문제를 야기할 수 있다. 이에 밀가루와 초코분말 등 건조분말 식품에 메소밀을 0.1-1.0% 첨가한 다음 THz 흡수스펙트럼을 측정한 결과 식품기질에 영향을 받지 않고 메소밀의 특이 지문이 관찰되었다. 식품기질에 따라 다소 결과의 차이가 있으나 정확도 및 정밀도는 우수한 반면 약 3-4% 농도 수준에서 검출이 가능하였다(그림 11 및 표 1)(Baek et al.
후속연구
- 이 실험에 사용한 THz파는 일반적으로 사용하는 것보다 1만~10만배 가량 높은 고출력이었기 때문에 향후 실제 노출되는 정도를 고려한 추가연구가 요구된다.
- 이러한 제한점들이 해결하면 종래 방법인 초음파·X선 검사 등을 대체할 수 있는 인간에 무해한 신개념 검사법 제공이 가능할 것으로 기대된다.
- 따라서 다빈도 검출 이물인 벌레, 곰팡이 등 연질 이물질은 검출이 불가능하여 이물사고 재발 가능성을 항상 내포하고 있다. 이에 대해 앞서 기술한 THz파의 물질투과성(종이, 비닐 등 식품 포장재도 투과)을 활용하면 다양한 크기와 밀도를 가진 식품 이물의 검색이 가능하고, 물질 고유의 투과, 흡수, 반사 특성을 이용한다면 검색된 식품 이물질의 성분 동정도 가능하다. 특히 X-ray 투시기와는 달리 인체 건강 및 식품에 미치는 영향이 미미하므로 THz파는 식품 속에 존재하는 이물질 탐지에 적합한 기술이라 할 수 있겠다(전 등, 2009; Lee et al.
- 그런 다음 시판 중인 비타민 C 식이보충제 제품(n = 50)을 THz-TDS와 HPLC를 이용하여 분석한 결과 두 방법은 잘 일치하는 것으로 나타났다(그림 6). 이와 같은 결과는 THz-TDS가 시판 비타민 C 식이보충제 제품 중 비타민 C 함량의 in-situ 분석에 사용될 수 있음을 시사한다.
- 그러나 기술의 확산을 위해서는 가격, 안전성 문제뿐만 아니라 THz 대역에서의 식품 특유의 다양한 매트릭스 특성으로 인한 높은 신호 손실, 고유지문 추출의 어려움 등이 선결되어야 한다. 향후 지속적인 연구개발을 통해 선결 문제점이 해결된다면 THz 분광 및 영상 기술은 식품의 품질 및 안전관리에 핵심적인 역할을 할 것으로 기대된다.
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