현장에서 2시간 내에 패혈증과 전염병을 진단할 수 있게 됐습니다. 재료연구소 표면기술연구본부 박성규 박사 연구팀이 이끄는 국제 공동 연구팀은 패혈증이나 조류독감을 현장에서 2시간 안에 초고감도(ppb, 10억분의 1) 이하로 검출할 수 있는 3차원 바이오센서 칩을 개발했습니다. 이번 연구에는 재료연구소외에도 하버드 의과대학 메사추세츠 종합병원(MGH), 영국 임페리얼 공대, 독일 뮌헨 공대 등이 참여했습니다.
세계 최초, 금속 구형 나노입자 진공합성 기술 개발
연구팀은 세계 최초로 금속 나노입자를 진공에서 직접 합성할 수 있는 원천 기술을 확보했는데요. 고분자 나노소재와 금속의 표면에너지 차이를 극대화시켜 고분자 나노구조 상에서 귀금속 나노입자를 구형으로 형성하는 데 성공했습니다.
이번에 개발된 고감도 바이오센서 칩은 3차원 고밀도 금속나노 구조체의 플라즈몬 공명 현상을 이용했습니다. ppb 이하 극미량의 단백질 바이오마커 검출이 가능합니다. 참고로 바이오마커란 단백질이나 DNA, RNA 및 대사물질 등을 통해 정상이나 병적인 상태를 구분할 수 있거나 치료 반응을 예측할 수 있는, 객관적으로 측정 가능한 표지자를 말합니다.
협력으로 이뤄낸 성과
이번 연구에 공동으로 참여했던 미국 하버드 의과대학 메사추세츠 종합병원(MGH) 임형순 교수 연구팀은 혈액에서 폐혈증과 관련한 단백질 바이오마커만을 선택적으로 결합해 형광 이미지를 구현하여 분석하는 '형광 기반 면역분석법'을 개발했습니다. 참고로 면역분석법이란 항원과 항체 간의 결합이 큰 특이반응을 이용해 불순물이 많은 생체 시료로부터 검출하고자하는 미량의 바이오마커를 선택적으로 결합하는 기술입니다.
독일 및 영국 연구팀은 3차원 금속 나노구조의 광학 전산모사를 통해 플라즈몬 공명 현상을 해석하여 초고감도 3차원 바이오센서 칩의 성능을 이론적으로 뒷받침 했습니다.
개발된 바이오센서 칩은 진공증착 공정으로 만들어졌는데요. 진공증착 공정을 통해 형성된 금속 나노입자는 표면에 계면활성제 같은 화학 물질이 없기 때문에 면역분석법을 통한 형광분석 시 형광신호의 세기와 민감도 등을 향상시킬 수 있습니다. 국제 공동 연구팀이 협력해 만든 결과입니다.
연구책임자인 재료연구소 박성규 책임연구원은 "폐혈증은 전 세계적으로 매년 3천만 명 이상이 발병하고, 발병 후 일주일 이내에 사망하는 치사율이 20%인 매우 위험한 질병"이라며 "2시간 이내에 폐혈증을 확진할 수 있는 초고감도 쾌속 진단기기의 개발이 치사율을 낮추는 가장 효과적인 방법이 될 것으로 기대한다"고 밝혔습니다.
개발된 바이오센서 칩을 직접적으로 분석한 MGH 임형순 교수는 "바이오센서의 상용화를 위해서는 고감도 바이오센서 칩의 대면적 제조 공정의 확립과 재현성 확보가 관건"이라며 "재료연구소의 3차원 바이오센서 칩은 두 가지를 모두 만족시키기 때문에 향후 패혈증 임상 샘플을 통한 실증연구에 보다 집중할 계획"이라고 말했습니다. 이번 연구는 나노소재 분야의 세계적 학술지인 <Advanced Functional Materials>에 게재됐습니다.
##참고자료##
