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무색 바이오 물질에 색상 발현···"융합연구의 결과"

장재은 DGIST 연구팀, 플라즈모닉 나노구조체로 무색 바이오 물질 색상 발현 기술 개발
나노·전자 공학, 뇌 과학 융합 연구···향후 뇌질환 연구·치료에 활용 기대
센서 주변의 물질 변화에 따른 색상 변화와 센서의 굴절률 민감도에 따른 물질 구별 결과.<이미지=DGIST 제공>센서 주변의 물질 변화에 따른 색상 변화와 센서의 굴절률 민감도에 따른 물질 구별 결과.<이미지=DGIST 제공>

국내연구팀이 무색·투명한 바이오 물질의 색상을 발현시키는 기술을 개발했다.

DGIST(총장직무대행 배영찬)는 장재은 정보통신융합전공 연구팀이 나노구조체를 이용해 바이오 물질의 색상을 발현시키고 새로운 이미지 신호 처리 기법을 적용한 '바이오센서'를 개발했다고 20일 밝혔다.

세포·장기 내의 바이오 물질을 분석해 특정 질환과의 연관성, 발생 메커니즘 등을 규명하는 연구는 신약 개발에 활용도가 높다.

바이오 물질은 가시광선 영역에서 무색·투명해 육안이나 광학 현미경으로 관찰·분석이 어렵다. 현재는 바이오 물질에 특정 색상을 나타나게 하는 바이오 마커 등을 이용해 2차 처리 후 관찰하는 방식을 활용하고 있다.

하지만 바이오 마커 기술은 마커 처리가 불가능한 물질이 존재한다. 또 바이오 물질의 특성을 변화시키기도 한다. 이에 바이오 마커 없이 바이오 물질을 검출하는 기술개발이 요구돼 왔다.

장재은 연구팀은 문제일 뇌·인지과학전공 연구팀, 황재윤 정보통신융합전공 연구팀과 나노구조체의 '플라즈모닉(plasmonic) 현상'에 선택적 투과 특성을 이용한 바이오센서 공동연구를 진행했다. 플라즈모닉 현상은 금속 내의 자유전자가 집단적으로 진동해 강한 전기장을 생성하는 현상이다.

연구팀은 금속박막에 나노미터(㎚) 사이즈의 균일한 구멍이 주기적으로 배열된 플라즈모닉 나노구조체를 제작했다. 금속박막에 규칙적으로 미세한 구멍을 만들면 나노구조체 주변의 성질이 바뀌며 선택적으로 통과하는 빛의 파장 특성도 변해 다른 색상을 띄게 된다. 이는 컬러렌즈가 특정 빛만 선택적으로 통과시키는 현상과 유사하다.

이 기술은 나노구조체 위에 다양한 바이오 물질을 놓았을 경우 물질마다 고유의 색상을 보이게해, 육안·현미경으로 구분이 가능하다.

또 바이오 물질의 이미지 데이터를 픽셀별로 분석해 물질 변화에 따른 색의 민감도가 나노구조체 배열의 간격과 관련있다는 사실을 증명했다. 이를 통해 정확도가 높은 이미지 신호 처리 기법도 개발했다.

연구팀은 나노구조체의 색상정보를 이미지센서 기술로 얻고, 이를 신호처리 기술과 접목시켜 바이오센서 개발에 성공했다. 

개발된 바이오센서는 2차 처리, 분석장비 없이 바이오 물질을 실시간으로 분석·검출할 수 있다. 이는 질병 메커니즘 분석, 신약 개발 등의 바이오 분야 연구나 현미경을 사용하는 기존 분석법에 적용이 가능하다.

장재은 교수는 "바이오 연구분야에서 필수적인 바이오 물질의 구분·추적 등에 효과적인 핵심기반기술을 개발했다"며 "이는 나노공학, 전자공학, 뇌과학 분야 전문가들의 융합연구 결과로 향후 뇌질환 연구·치료에 적극 활용할 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.

한편 연구결과는 바이오센서 분야 국제학술지 '바이오센서 앤드 바이오일렉트로닉스(Biosensors & Bioelectroncis, IF=8.173)' 2월호에 게재됐다.
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