기사 메일전송
  • 기사등록 2020-11-03 12:00:02
기사수정


▲ 한국표준과학연구원(KRISS)이 세계 최고 수준인 펨토 몰 수준으로 실시간 측정이 가능한 장비 개발에 성공했다. 사진은 KRISS 연구팀이 개발한 초고감도 실시간 바이오센싱 장비



[기계신문] 한국표준과학연구원(KRISS) 나노바이오센서팀과 반도체측정장비팀이 세계 최고 수준인 펨토 몰*(1000조 분의 1 몰) 수준으로 실시간 측정이 가능한 장비 개발에 성공했다. 조기진단이 필요한 급성심근경색증, 치매, 각종 감염병 등에 활용이 기대된다.

* 몰(mol) : 몰은 물질량의 국제단위계(SI) 단위로 어떤 계의 물질량은 명시된 구성요소의 수를 나타내는 척도


연구팀이 개발한 장비는 복잡한 과정 없이 쉽고 간단하게 실시간으로 혈액·체액 내 특정 물질을 측정할 수 있다. 이번 성과는 지난 2016년에 개발한 기술을 고도화한 것으로, 기존 장비보다 450배 이상 측정 민감도를 갖는다.



▲ KRISS 연구팀이 개발한 초고감도 실시간 바이오센싱 장비 구조



급성심근경색은 관상동맥이 혈전으로 막혀 산소와 영양분 공급 부족으로 심장근육이 괴사하는 질환이다. 골든타임 2시간 이내의 신속한 응급조치를 위해서는 조기진단이 매우 중요하다.


이를 위해서 급성심근경색증 발병 초기에 특이하게 발견되는 ‘트로포닌’이라는 물질을 빠르게 측정할 수 있어야 한다. 트로포닌은 혈액 내 농도가 피코 몰(1조 분의 1 몰) 이하의 극미량이므로 관찰이 어렵다.


트로포닌처럼 혈액·체액 내 특정 질환 여부나 상태를 나타내는 단백질·DNA 등 지표 물질을 ‘바이오마커’라고 한다. 주로 형광물질을 띠는 나노물질이나 효소를 반응시켜 측정 신호를 높여 관찰하는 방법이 사용되는데, 신호의 발생과 증폭, 세척 등 분석과정이 복잡하고 분석시간이 길다.



▲ 2016년(좌)과 2020년(우) 장비의 차이점. 2016년 장비는 레이저 빛의 산란으로 일어나는 노이즈 신호가 발생하고, 2020년 장비는 이를 개선해 노이즈 신호를 줄여 더욱 정밀한 측정이 가능하다.



연구팀이 개발한 장비는 별도의 신호증폭 과정과 세척 과정이 필요 없이 광학적으로 신호를 증폭시키는 기술로, 분석 과정이 복잡하고 시간이 긴 기존 방법의 한계를 극복할 수 있다. 이 기술은 빛을 특정한 각도로 실리콘 표면에 반사해 특정 물질의 변화 과정을 민감하게 측정한다.


연구팀은 빛의 산란으로 생기는 방해 신호를 최소화하기 위해 타원계측장치를 독립형으로 구축했다. 구축된 장치는 분석용액이나 주변 환경의 온도 차에 의한 굴절률 변화에 영향을 받지 않고, 오직 항원-항체 반응에 의한 실리콘 센서칩 표면의 두께 변화만 측정하도록 설계돼 더욱 정밀한 측정이 가능하다.


이번 기술은 치매 조기진단에도 활용할 수 있다. 현재 대부분의 치매 진단은 뇌 영상 촬영 또는 뇌척수액 분석을 통해 이뤄진다. 하지만 검사비용이 비싸고, 시료 채취가 어려워 조기에 발견하기 힘들다. 혈액 내 존재하는 치매 원인 물질인 베타아밀로이드와 타우단백질에 대해 펨토 몰 수준의 세밀한 농도변화를 측정할 수 있다면 조기진단도 가능하다.



▲ KRISS 연구팀이 독립형으로 구축한 타원계측장치. 분석용액이나 주변 환경의 온도 차에 의한 굴절률 변화에 영향을 받지 않고, 항원-항체 반응에 의한 실리콘 센서칩 표면의 두께 변화만 측정하도록 설계돼 더욱 정밀한 측정이 가능하다.



KRISS 조현모 책임연구원은 “치매는 이상 증세가 발생했을 때 손쓸 수 없는 정도로 병이 진행된 경우가 많다”며 “극미량의 세밀한 농도변화까지 측정할 수 있는 이번 기술을 활용하면 혈액만으로도 치매의 조기진단이 가능해질 것으로 기대된다”고 밝혔다.


이번에 개발된 기술은 별도의 신호증폭 과정 없이 분석시료 주입만으로 펨토 몰(1000조 분의 1몰) 수준의 고감도 측정이 가능한 바이오센싱 기술이다. 심근경색증과 같은 급성질환 초기의 혈액 내 미량의 바이오마커 농도변화를 검출해 조기진단에 활용할 수 있다.


치매 조기진단은 급속한 고령화로 인한 사회적 비용을 획기적으로 줄일 수 있지만, 현재 임상적으로 검증된 혈액 내 치매 바이오마커 측정용 의료진단기기는 없다. 초저농도의 바이오마커 검출이 가능한 ‘실리콘 기반 타원계측 바이오센서 기술’은 치매 조기예측이 가능한 의료진단기술에 활용될 수 있다.



▲ KRISS 연구팀. 왼쪽부터 김동형 선임연구원, 제갈원‧조현모‧조용재 책임연구원



또, 코로나19 바이러스와 같은 감염성 바이러스 검출에도 적극적으로 활용될 수 있다. 초고감도 측정기술은 적은 양의 바이러스를 감염 초기에 검출하여 조기 격리 및 방역을 가능하게 하며, 비표지 기반 실시간 모니터링 기술은 공공시설 또는 이용자들의 바이러스 감염 여부를 지속해서 측정할 수 있다.


한편, 산업통상자원부 센서산업고도화전문기술개발 사업과 KRISS 주요사업의 지원을 받은 이번 연구 성과는 과학기술정보통신부가 주관하는 2020년 국가연구개발 우수성과 100선에 선정됐으며, ‘바이오센서스 앤드 바이오일렉트로닉스(Biosensors and Bioelectronics)’에 11월 출간됐다.


기계신문, 기계산업 뉴스채널

한음표 기자 hup@mtnews.net

관련기사
기사수정
나도 한마디
※ 로그인 후 의견을 등록하시면, 자신의 의견을 관리하실 수 있습니다. 0/1000
서브우측_카이스컴퍼니
서브우측_연일
서브우측_성도FA
서브우측_대하기전
서브광고_한일
서브우측_한국근강도량형
서브광고_다주하이테크
서브광고_알이디테크놀로지
모바일 버전 바로가기