1000조 분의 1 몰까지 실시간 측정, 질병 조기진단 가능해진다-표준연, 융합연구 통해 초고감도 실시간 바이오센싱 장비 개발 성공

1000조 분의 1 몰까지 실시간 측정, 질병 조기진단 가능해진다-표준연, 융합연구 통해 초고감도 실시간 바이오센싱 장비 개발 성공

 

2020-11-02관리자

 

1000조 분의 1 몰까지 실시간 측정…
질병 조기진단 가능해진다
- 표준연, 융합연구 통해 초고감도 실시간 바이오센싱 장비 개발 성공 -
- 급성심근경색증, 치매, 각종 감염병 등 조기진단 활용 기대 -

한국표준과학연구원(KRISS, 원장 박현민) 나노바이오센서팀과 반도체측정장비팀은 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.

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

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.

연구팀이 개발한 장비는 별도의 신호증폭과정과 세척과정이 필요 없이 광학적으로 신호를 증폭시키는 기술로, 분석과정이 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 조현모 책임연구원은 “치매는 이상 증세가 발생했을 때 손쓸 수 없는 정도로 병이 진행된 경우가 많다”라며, “극미량의 세밀한 농도변화까지 측정할 수 있는 이번 기술을 활용하면 혈액만으로도 치매의 조기진단이 가능해질 것”이라고 기대를 밝혔다.

이번 연구성과는 과학기술정보통신부가 주관하는 2020년 국가연구개발 우수성과 100선에 선정됐다.

산업통상자원부 센서산업고도화전문기술개발 사업과 KRISS 주요사업의 지원을 받은 이번 연구결과는 바이오센서스 앤드 바이오일렉트로닉스(Biosensors and Bioelectronics, IF: 10.257)에 11월 출간됐다.

붙임1
연구성과 추가 설명

□ 논문 및 지원사업 관련 정보

○ 논문명 및 주소

- Biosensors and Bioelectronics 168 (2020) 112525 (2020, IF: 10.257)
- https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0956566320305170

○ 지원사업

- 산업통상자원부 센서산업고도화전문기술개발 사업
- 한국표준과학연구원 주요사업

□ 기술 활용 방안

1. 급성질환 초기 조기진단

이 기술은 별도의 신호증폭과정 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.

2. 치매 조기진단

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.

3. 감염성 바이러스 실시간 모니터링

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.

□ 에피소드가 있다면?

이번 기술은 2016년에 조현모 책임연구원이 개발한 ‘실리콘 기반 타원계측 바이오센서’ 기술을 바탕으로 나노바이오센서팀, 반도체측정장비팀 간의 융합연구로 개발하게 됐습니다.

이전에 개발된 센서의 측정 감도가 이미 상용제품 수준을 가져 그 이상으로 성능을 높이기 위해서는 많은 시도와 실패를 반복해야만 했습니다. 실리콘 센서칩과 결합하는 광학프리즘의 구조도 다양하게 제작해 적용했었고, 실리콘 표면을 처리하는 방법도 많은 고민을 하며 측정한계 극복을 위해 노력했습니다. 반복된 실패과정에서도 점차 오차 요인들을 하나하나 수정해가며 측정한 결과 기대 이상으로 향상된 측정 감도를 확인할 수 있었습니다.

반도체측정장비팀에서는 기존 광학정반 위에 구축된 타원계측장치를 독립형으로 제작하는 것에 도움을 줘 기존보다 사용이 간편한 시작품까지 완성할 수 있었습니다.

 

붙임2
연구성과 사진

 

▲ KRISS 연구팀이 개발한 초고감도 실시간 바이오센싱 장비의 구조

 

▲ 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 측정 가능

 

 

▲ KRISS 연구팀이 개발한 초고감도 실시간 바이오센싱 장비

 

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

 

 

▲ KRISS 연구팀이 초감도 실시간 바이오센싱 장비를 이용해 실험하고 있다.

 

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

붙임3
연구팀 프로필 – 조현모 책임연구원

 

1. 인적사항
○ 성 명 : 조현모
○ 소 속 : 한국표준과학연구원 소재융합측정연구소 나노바이오센서팀
○ 직 위 : 책임연구원

 

2. 경력사항
○ 1982 – 2012 한국표준과학연구원, 연구원, 선임연구원, 책임연구원
○ 2012 – 2016, 한국표준과학연구원 나노측정센터 센터장
○ 2020 – 현재, 한국표준과학연구원 소재융합측정연구소 나노바이오센서팀

3. 전문 분야 정보
○ 타원계측기를 이용한 나노바이오 박막, 반도체 박막 두께 및 물성측정

4. 발표논문 및 특허
○ “Ultrasensitive, label-free detection of cardiac biomarkers with optical SIS sensor”, Biosensors and Bioelectronics 87, 242 (2017). 외 SCI 논문 35편

○ “액침미세유로 환경을 이용한 분자흡착 및 해리 동특성 측정장치 및 측정방법” 등 국내외 특허 50여건

붙임3
연구팀 프로필 – 김동형 선임연구원

 

1. 인적사항
○ 성 명 : 김동형
○ 소 속 : 한국표준과학연구원 소재융합측정연구소 나노바이오센서팀
○ 직 위 : 선임연구원


2. 경력사항
○ 2016 – 2017 한국표준과학연구원, 박사 후 연구원
○ 2017 – 현재 한국표준과학연구원, 선임연구원

3. 전문 분야 정보
○ 타원계측기를 이용한 나노바이오 박막 두께 및 물성측정, 바이오센서 기술 개발

4. 발표논문 및 특허
○ “Normal-incidence type solution immersed silicon (SIS) biosensor for ultra-sensitive, label-free detection of cardiac troponin I ”, Biosensors and Bioelectronics 168, 112525 (2020) 외 SCI 논문 16편

○ “고소광계수 표지자와 유전체기판을 이용한 고감도 바이오센서칩, 측정시스템 및 측정방법” 등 국내외 특허등록(출원) 3건