DGIST, 바이오 물질 컬러화해 신호 처리하는 바이오센서 개발

[이데일리 이연호 기자] DGIST는 정보통신융합전공 장재은 교수팀이 나노구조체를 이용해 바이오 물질의 색상을 발현시키고 새로운 이미지 신호 처리 기법을 적용한 바이오센서를 개발했다고 20일 밝혔다.

센서 주변의 물질 변화에 따른 색상 변화와 센서의 굴절률 민감도에 따른 물질 구별 결과. 그래픽=DGIST.

최근 세포나 장기 내의 바이오 물질을 분석해 특정 질환과의 연관성, 발생 메커니즘 등을 규명하는 연구를 바탕으로 신약 개발이 활발하다. 단백질과 같은 바이오 물질은 가시광선 영역에서 무색투명해 육안이나 광학현미경으로 관찰·분석하기 어려워 바이오 물질에 특정 색상을 나타나게 하는 바이오 마커 등을 이용한 2차 처리 후 관찰하는 방식을 활용한다.

하지만 바이오 마커 기술은 바이오 물질의 특성을 변화시킬 수 있고 경우에 따라 바이오 마커 처리가 불가능한 물질이 있어 바이오 마커 없이 바이오 물질을 검출하는 기술 개발이 요구됐다.

장재은 교수팀은 DGIST 뇌·인지과학전공 문제일 교수팀, 정보통신융합전공 황재윤 교수팀과의 공동 연구를 통해 나노구조체의 플라즈모닉 현상에 의한 선택적 투과 특성을 이용한 바이오센서 연구를 진행했다.

연구팀은 금속박막에 나노미터(nm) 사이즈의 균일한 구멍(hole)이 주기적으로 배열된 플라즈모닉 나노구조체를 제작했다. 금속박막에 규칙적으로 미세한 구멍을 만들면 컬러렌즈가 특정한 빛만 선택적으로 통과시키는 것처럼 나노구조체 주변의 성질이 바뀌며 선택적으로 통과하는 빛의 파장 특성도 변해 다른 색상을 나타내게 된다. 이 기술은 나노구조체 위에 다양한 바이오 물질을 놓았을 경우 물질마다 고유의 다른 색상을 나타나게 할 수 있어 육안 혹은 현미경으로 구분할 수 있다.

또 분광기 같은 분석 장비 없이 비교적 간단한 이미지 센서를 사용해 얻어진 바이오 물질의 이미지 데이터를 픽셀 별로 분석해 바이오 물질 변화에 따른 색의 민감도가 나노구조체 배열의 간격과 관련있다는 사실을 증명하며 정확도가 높은 이미지 신호 처리 기법도 개발했다.

연구팀은 이런 기술을 적용해 바이오 물질의 변화에 따른 나노구조체의 색상 정보를 이미지센서를 통해 얻고 새롭게 개발한 신호 처리 기술과 접목시켜 바이오 물질을 실시간으로 정밀하게 검출할 수 있는 바이오센서를 개발하는데 성공했다.

연구팀이 개발한 바이오센서는 2차 처리나 분석 장비 없이도 바이오 물질을 실시간으로 분석 및 검출할 수 있어 질병 메커니즘 분석, 신약 개발 등 바이오 분야 연구에 널리 사용할 수 있으며 현미경을 사용하는 기존 분석법에도 적용이 가능해 상용화도 용이하다는 장점이 있다.

DGIST 정보통신융합전공 장재은 교수는 “바이오 연구 분야에서 필수적인 바이오 물질의 구분 및 추적 등에 효과적으로 적용할 수 있는 핵심기반 기술을 개발했다”며 “나노공학, 전자공학, 뇌과학 분야 전문가들의 융합 연구 결과로 뇌질환 연구 및 치료에 적극 활용할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

한편 이번 연구 결과는 바이오센서 분야 저명 국제학술지인 ‘바이오센서 앤드 바이오일렉트로닉스(Biosensors & Bioelectroncis)’ 2월호에 게재됐다.