■기술 소개

나노바이오센서란 나노선, 나노입자처럼 크기가 100나노미터(nm) 이하인 나노 물질을 이용하여 다양한 생체분자를 검출하는 소자를 말한다. 나노바이오센서는 질병 진단은 물론, 환경센서나 식품센서로도 활용할 수 있다.

기존에 널리 사용되는 바이오센서가 많은데도 나노바이오센서는 큰 주목을 받고있다. 이는 실시간으로, 높은 감도로 특정 물질을 검출하고 측정할 수 있기 때문이다.

센서는 기술이 발전함에 따라 점점 소형화되는 추세인데, 대부분의 센서는 크기가 작아지면 감도가 현격하게 떨어져서 소형화하는 데 한계가 있다. 전체 크기가 작아질수록 외부 분자와 접촉하는 표면적이 급격하게 줄어들기 때문이다. 그러나 나노물질은부피당 생체분자와 결합할 수 있는 표면적이 매우 넓기 때문에 크기가 작아도 높은 감도를 얻을 수 있다. 또한 전기적 특성을 측정하는 나노바이오센서는 생체분자를 실시간으로 검출할 수 있기 때문에 환자를 직접 진료하는 현장에서 바로 활용할 수 있다.


■연구 현장은 지금…

센서는 정보를 시각적으로 보여주는 역할을 주로 하기 때문에 대부분 광학적인 측정방법을 사용한다. 광학 바이오센서는 감도가 좋고 감지 선택성이 우수하다는 장점이 있지만, 시료를 형광물질로 표시하는 전처리가 필요하여 측정시간이 긴 편이고 측정 장비도 비싸다. 이러한 단점을 보완하기 위해 우리 연구실에서는 주로 전기전도도, 전기용량(capacitance) 등과 같은 전기적 특성을 측정하는 나노바이오센서를 개발하였다.

첫 번째 소개할 나노바이오센서는 양극산화하여 만든 알루미나(anodized aluminum oxide, AAO) 멤브레인을 이용한 것이다.

알루미늄 박막을 양극산화하면 그림과 같이 직경이 80nm 정도 되는 나노구멍이 형성된다. 여기에 검출하려는 생체분자가 붙으면 용액과 분자의 유전상수 차이로 전기용량이 달라지므로 그 변화량을 측정하면 생체분자를 검출해 낼 수 있다. 우리 연구실에서는 이를 이용하여 환경호르몬인 비스페놀 A를 검출하고 잠복결핵을 진단할 수 있었다.

▲ AAO 멤브레인을 이용한 바이오센서의 개념도(좌)와 AAO 센서의 전자현미경 이미지(우).

두 번째는 탄소나노튜브를 이용한 나노바이오센서다.

직경이 2nm 정도인 반도체성 탄소나노튜브에 생체분자가 결합하면 탄소나노튜브의 전기전도도가 변한다. 따라서 전기전도도 변화량을 측정하여 생체분자를 검출할 수 있다. 우리 연구실에서는 탄소나노튜브 바이오센서로 알츠하이머의 바이오마커 중 하나인 아밀로이드 베타를1pg/ml (pg=피코그램, 1조분의 1그램) 수준까지 측정하는 데 성공하였다. 이외에도 B형간염 등 다양한 항원을 실시간으로 정밀하게 측정해 냈다.

▲ 탄소나노튜브 바이오센서의 개념도(좌)와 실시간 측정 전도도(우).

국내외 많은 연구그룹들이 나노바이오센서를 연구하고 있지만 아직 산업화된 사례는 적다. 나노바이오센서가 실용화되려면 광범위한 임상연구가 필요하기 때문에 지속적인 연구가 필요하다. 특히 최근 원격진료의 필요성이 커지고 있으므로 현장/현시 바이오센서인 나노바이오센서의 전망은 밝은 편이다.