▲ 실리콘 나노선-트랜지스터 결합 바이오센서의 구성도와 전자현미경 사진. .

국내 연구진이 일반생활속에서도 높은 효율로 검출이 가능한 반도체 바이오센서를 개발했다.

미래창조과학부(장관 최양희)와 한국연구재단(이사장 정민근)은 최성진 교수, 김동명 교수, 김대환 교수(이상 국민대), 최양규 교수(카이스트), 이지은 박사(예일대 박사후연구원) 등이 미래창조과학부와 한국연구재단이 지원하고 있는 기초연구사업(신진연구자지원)을 통해 잡음 환경 속에서 효율적으로 작동하는 고감도의 반도체 바이오센서를 개발했다고 밝혔다.

바이오센서는 미세한 양의 생체 분자를 검출하기 위해 잡음이 있는 일반 환경 속에서도 작은 신호의 변화를 효과적으로 검출해야한다.

하지만 기존의 다양한 구조의 바이오 센서는 모든 잡은 환경속에서 성능을 구현하는데 한계가 있어 이를 해결하기 위한 신호 증폭 회로등을 붙였지만 이로 인해 센서의 부피가 커지고 추가적인 비용이 발생하곤 했다.

바이오센서는 센서내의 실리콘 나노선에서 검출하고자 하는 미세한 양의 생체분자가 흡착되면 나노선을 흐르는 전류가 미세하게 변화한다.

연구팀은 실리콘 나노선과 별도의 트랜지스터의 게이트 전극에 결합시키면 실리콘나노선에 흐르는 미세한 전류의 변화를 게이트에 축적되는 전하의 변화로 변환시켜 일어나는 전극의 미세한 전하의 변화가 트랜지스터의 원리에 따라 전류를 매우 크게 변환시킬 수 있게 됐다.

개발한 바이오센서에서 나노선과 결합된 트랜지스터는 전류 변화를 약 25만 배 증폭시킬 수 있어 잡음 대비 높은 신호 전달력을 달성할 수 있기 때문에, 고감도의 바이오센서 구현이 가능하다. 또한 별도의 바이오 신호 증폭을 위한 복잡한 회로도 필요하지 않다.

최성진 교수는 “개발된 표준 반도체 설계 및 공정 기술을 바탕으로 한 실리콘 나노선-트랜지스터 결합 바이오센서는 잡음 환경 속에서도 높은 신호 전달력으로 인해 미세 량의 생체분자를 효율적으로 검출할 수 있다”고 밝혔다.

이어 “이 원리는 향후 다양한 반도체 센서에 적용이 가능하기에 때문에 이번 연구 성과가 갖는 의미는 더욱 크다”고 밝혔다.

한편,이번연구 논문명은 A Highly Responsive Silicon Nanowire/Amplifier MOSFET Hybrid Biosensor이며 저자는 이지은(제1저자, 국민대 박사, Yale대 박사 후 연구원), 장재만(공동저자, 국민대 박사과정), 최봉식(공동저자, 국민대 박사과정), 윤진수 (공동저자, 국민대 석사과정), 김지연(공동저자, 카이스트 박사과정), 최양규(공동저자, 카이스트 교수), 김동명(공동저자, 국민대교수), 김대환(공동저자, 국민대교수), 최성진(교신저자, 국민대교수)이다.

이번 연구의 결과물은 생물, 물리, 화학 등을 다루는 권위 있는 과학 및 기술 학술지인 사이언티픽리포트(Scientific Reports) 온라인판 7월 21일 자에 게재되었다.