기사 메일전송
신소재경제신문·재료연구소 공동기획 소재기술백서 2017(5)-제1장 센서 소재-바이오센서 소재기술(1)-집필 이혜진(경북대) - 바이오센서 개인 맞춤형 스마트 건강관리 핵심
  • 기사등록 2019-04-17 12:49:26
  • 수정 2019-04-17 12:54:59
기사수정
재료연구소가 발행한 ‘소재기술백서’는 해당분야 전문가가 참여해 소재 정보를 체계적으로 정리한 국내 유일의 소재기술백서다. 지난 2009년부터 시작해 총 9번째 발간된 이번 백서의 주제는 ‘4차 산업혁명 대응소재’다. 센서, 3D프린팅, AI용 반도체, 빅데이터 이용 소재 개발 등으로 나눠 각 분야별로 가치 있고 다양한 정보를 담았다. 이에 본지는 재료연구소와 공동기획으로 ‘소재기술백서 2017’을 연재한다.

바이오센서 개인 맞춤 스마트 건강관리 핵심


■ 기술의 정의 및 분류


승용차와 스마트폰뿐만 아니라 우리 주변 기기들이 점점 첨단화되어 여기에 필요한 센서가 계속 늘어가고 있고, 손목밴드형과 티셔츠 형태의 웨어러블(wearable)기기의 개발 등 다양한 분야에서 센서 활용이 가속화되고 있다. 최근 미래성장동력으로 사물인터넷(IoT)이 본격적으로 주목받게 되면서 다양한 센서에 대한 요구가 증가하고, 이들 센서에 의해 얻어지는 데이터로부터 한층 정확한 분석 결과에 대한 기대가 증가하고 있다. 급격히 발전되는 정보통신망을 이용하여 언제 어디서나 모든 사람이 의료서비스, 식품유해정보, 환경모니터링, 등에 대한 데이타를 제공받을 수 있고, 나아가서는 생활관리 서비스를 제공하는 유비쿼터스(ubiquitous) 환경의 건강관리 사회가 미래사회의 모습으로 예상되고, 이를 구현하기 위하여 생체정보 센서, 생체정보 모니터링, 데이터 분석, 피드백 등의 핵심기술의 개발이 필요하고 각국에서는 이러한 분야에 대한 투자가 증가하고 있다.


바이오센서는 검출하고자 하는 분석물질(analyte)를 감지하기 위하여, 높은 선택성을 가지는 효소, 항체, 항원, DNA 등 여러 종류의 생물분자(biomolecule)를 인식물질(receptor)로 사용하여 분석하는 소자다. 바이오분석물질들은 다양한데, 혈당 측정에서 검출하는 글루코스(glucose)와 지질(lipid), GTP, 유전자, 단백질, 호르몬, 세포 등이 될 수 있다. 바이오센서는 특정한 분석물질에 대한 인식기능을 갖는 인식물질과 분석물질간의 생물학적 상호작용 및 인식반응을 전기 또는 광학적 신호로 변환함으로써 분석하고자 하는 극미량의 화학 및 생화학 물질을 선택적으로 감지할 수 있는 소자를 말한다. 바이오센서의 구성요소 및 신호처리과정은 <그림 3-1-3-3>에 보여준다. 항원-항체 결합과 같이 분석물질을 선택적으로 결합하는 바이오마커라 불리는 인식물질의 개발이 중요하고, 결합에 따른 신호의 변화를 증폭시켜 극소량의 분석물질을 분석할 수 있는 방법의 개발이 필요하다. 최근 이러한 목적으로 나노물질을 사용한 바이오센서의 개발이 국내외적으로 활발히 진행되고 있다.


사물인터넷과 연결되는 바이오센서는 질병검출과 환경, 식품모니터링 뿐만 아니라, 의약품개발, 수질환경개선, 토양질 개선, 국방관련유해물질 검출 등 실생활에 밀접한 여러 분야에 적용되어 빅데이타로 처리되어 필요한 다양한 정보를 빠르게 분석하여 제공해 줌으로서 우리의 삶의 질 향상에 기여할 것이다. 무엇보다 최근 가장 비약적인 성장을 보이고 있는 분야는 헬스케어(health care) 분야이다. 이는 다른 어떤 분야보다 우리 삶의 질과 직접적으로 연관되어 있어 센서를 활용한 관련 제품 개발에 큰 관심을 받고 있다. 예를 들면, 의료분야의 경우 혈당, 혈중가스, 콜레스테롤, 암세포 등 다양한 생물분자 분석에 적용함으로서 의약품의 사용 및 중환자에 대한 신속한 진료 수행 등을 기대할 수 있다. 기존에 센서가 활용되는 영역은 주로 진단·검사용 의료기기인 사후적인 성격이었다면 최근에는 사전적이고 예방적인 용도로 점점 확대되고 있고, 앞으로 유비쿼터스 환경에서 가장 큰 부분을 차지하게 될 것이다.


환경 분야에서는 넓은 지역에서 신속하게 환경오염물질을 검출하고, 공기, 수질, 토질 오염 모니터링을 통한 환경호르몬, 폐수의 중금속, 농약, 용존산소량 등 물질에 대한 정보를 제공하여 거주환경 개선에 기여할 것이다. 식품분야에서는 잔류농약, 항생제, 병원균, 중금속, 부패촉진물질에 대한 정보를 제공할 것이고, 군사분야에 있어서는 탄저균, 신경가스, 사린가스와 같은 생물학적 살상 성분의 검출에 활용될 것이다. 이외 산업공정에서 화학, 정유, 제약, 발효 등 생화학적 제조공정에서 특정 분석물질 분석에 바이오센서가 사용될 수 있다. 모든 기기는 소형화하는 추세에 따라 센서 분야에서도 빠른 분석과 소형화가 기술의 경쟁력 향상에 크게 기여할 것이다.


바이오센서 적용 제품으로는 질병진단용 진단키트, 바이오칩, 의료용 바이오센서 및 유비쿼터스 질병 관리시스템을 포함하고, 분석물질별로는 감염성 질환, 암, 심혈관 질환, 뇌 질환, 식중독균 진단, 기타 급만성 질환 등의 바이오센서가 있다.


바이오센서 기술은 바이오기술을 기반으로 NT와 IT기술을 결합한 융합기술로서 e-헬스산업과 유비쿼터스 의료 환경에서 바이오센서 적용기술은 미래 진단시스템이 될 것이다. 최근에는 바이오센서를 고집적화하여 바이오칩형태로 기술개발이 가속화하여 DNA칩, 단백질칩, 셀칩, 조직(tissue)칩 등이 개발되고 있고, 피 한방울을 사용하는 것과 같이 시료사용과 시료전처리를 최소화하여 하나의 칩 위에서 이루어지는 랩온어칩(lab-on-chip) 기술로 개발되고 있다.


■ 기술의 원리


센서의 원리는 측정하고자 하는 대상물질을 선택적으로 인식하고, 이로부터 나오는 물리, 화학, 생물학적 정보를 측정하여, 시스템에서 읽을 수 있는 신호로 변환함으로서 관측자가 쉽게 이해할 수 있는 방식으로 표현해 주는 것이다. 4차 산업혁명(industrial revolution)에서 빅데이터화와 연관하여 스마트센서는 센서를 정보소자화하여 기존 센서에 논리, 판단, 통신 기능을 결합하여, 데이터처리, 자가진단, 의사결정기능을 수행할 수 있는 고기능, 고정밀, 고편의성, 고부가가치를 가지는 센서로 발전할 것이다.


<그림 3-1-3-3>과 같이, 일반적으로 바이오센서는 표적이 되는 분석물질을 선택적으로 인식할 수 있는 생체인식물질(bioreceptor) 또는 생체모방(biomimetic) 인식물질로 이루어진 센서 매트릭스(matrix)와 반응 시에 발생하는 신호를 전기적 신호 등 쉽게 판단 가능한 정보로 변화시켜주는 신호 변환기, 신호를 직접 측정하거나 또는 다른 형식으로 표시해주는 전자기기를 기본으로 구성되어 있다. 분석하는 물질의 종류에 따라 글루코오스 센서, 요소 센서 등으로 분류할 수 있으며, 인식물질인 수용체의 종류에 따라서 효소 센서, 면역 센서, 미생물 센서 등으로 분류된다. 수용체의 신호 변환 방법의 차이에 따라서 전기화학, 열감지, 광학 바이오센서 등으로 구분된다.


바이오센서에서 바이오인식물질에 결합하는 분석물질은 항원-항체 반응에서와 같이 자물쇠와 열쇠처럼 서로에게 잘 맞는 짝으로 구성된다. 그 이유는 분석하는 조건에서 존재할 수 있는 많은 간섭물질들이 있는 상태에서도 인식물질은 원하는 분석물질과만 반응을 하여 신호를 보내게 해야 하기 때문이다. 인식물질에 많이 사용되는 효소와 항체는 그들의 우수한 특이성이나 선택성을 직접 이용하여 센서로 구성한 것이고, 세포, 조직 등의 내부에 존재하는 복합 효소들의 반응을 이용하여 센서를 만들기도 한다. 분석물질이 바이오인식물질과 만나 결합이 이루어지면 그 사이에서 특별한 구조적인 인식에 따른 변화가 발생하게 되고, 직접적으로 확인할 수 있는 전기적 또는 광학적 신호로 바꾸어 주기 위해 변환체(transducer)를 사용하고, 이러한 물리적, 화학적, 생물적 인식을 전기적 신호로 바꾸게 된다. 전기적 신호의 경우 변환 방식에 따라 암페로메트릭(amperometric) 전극법, 퍼텐쇼메트릭(potentiometric) 전극법, 압전(piezoelectric) 소자법, 서미스터법(thermister) 등 다양한 방법이 사용되고 있다. 분석물질과 바이오인식물질 사이에서 일어나는 변화에 따라서 가장 적절한 방법을 선택하여 바이오센서를 구성하게 된다.


4차 산업혁명 고부가가치 센서 각광

의료용 소형·간편화 기기 수요 증가


바이오인식물질의 생체물질과 신호 변환기를 결합하여 가장 최적의 신호변화를 줄 수 있는 일체화 기술은 바이오센서 제작 기술의 핵심이라고 할 수 있다. 전기적, 광학적, 열적 신호를 발생하기에 적절한 운반체에 효소, 세포, 또는 조직을 고정하는 기술, 넓은 pH범위, 온도 영역에서의 바이오센서를 안정화시키는 기술이 핵심이 된다.


바이오센서에 필요한 기본적 특성은 다른 센서에서와 같이 우수한 감도(sensitivity), 선택도(selectivity), 복귀도(reversibility), 재현성(reproducibility), 안정도(stability), 수명 및 반응시간(response time)이 우선적으로 고려되어야 할 사항이다. 또한 사물인터넷에 적용하기 위해 웨어러블(wearble)과 삽입 등을 위해 고려할 사항으로 생산성, 경제성, 보존성, 기능성, 적용성, 규격성, 등의 특성도 같이 고려되어야 한다. 복귀도와 재현성은 일정기간 이후에 효소와 같은 생체 감지 물질의 활동성의 변화에 의해 영향을 받고, 반응시간은 측정 결과가 나오기까지 걸리는 시간으로 10분이 넘어가는 센서는 경쟁력이 부족할 것이다. 바이오센서의 수명은 인식물질의 기능이 시간이 지남에 따라 퇴화하면서 발생하는 문제로 바이오센서 활용, 저장, 생체 인식물질의 보관 수명 등에 대한 연구가 같이 진행되어야 한다. 생체 인식물질과 분석물질간의 상호작용 및 인식반응은 물리화학적 방법을 통해 측정된다. 즉 전기화학(electrochemical), 형광, 발색, SPR(surface plasmon resonance, 표면플라즈마공명), FET(field effect transistor), QCM(quartz crystal microbalance), 열센서 등을 활용하여 얻고, 이를 전기적 신호로 변환하여 표시한다. 또한 바이오센서는 어떤 기술을 적용하느냐에 따라 FET(field effect transistor) 기술, MEMS(micro electro mechanical system) 기술, 나노입자 사용한 기술로 나눌 수 있으나, 최근에 카본나노튜브나 반도체 나노선과 같이 나노물질과 FET 또는 MEMS 기술을 같이 사용한 경우가 많아 이러한 기술의 경우 융복합센서로 분류하기도 한다.


유비쿼터스 환경에 적용하는 바이오센서는 생체 인식물질 및 신호 변환 기술이 집적되어 있어 전자공학, 화학, 생물학, 재료 등 BT, NT, IT의 융합 제품이다. 최근 나노기술이 발전으로 신호 변환 방식의 변화, 극미소량 검출 등 분석 기술도 향상되어 바이오센서 내의 BT, IT, NT간의 융합이 가속화되고 있다. 탄소나노튜브, 그래핀, 금속나노와이어 등의 나노신소재, 나노구조체 등의 나노 기술 융합 기술의 발전은 바이오센서의 기능을 개선하고, 소형화하는데 기여하여, 이에 따른 의료와 환경, 식품 등 활용분야 확장이 예상된다.


바이오센서는 의료/헬스케어 분야가 가장 큰 수요를 보일 것으로 전망되는데, 이 분야 기술선진국들은 나노바이오센서/칩과 통신기술, 데이터 프로세싱 기술이 융합된 POC(point of care)에 적용할 수 있는 이동식 센서 개발에 집중하고 있다.


■ 4차 산업혁명 관점에서 기술의 중요성


컴퓨터에 기반한 3차 산업혁명으로부터 4차 산업혁명은 디지털(digital) 기술이 바이오(biological), 물리학(physical), 화학(chemical), 공학 등의 경계를 허물어 여러 기술과 학문이 융합하여 새로운 첨단 기능을 보여주는 기술혁명으로 나타나고 있다. 앞으로 건강에 대한 정의와 접근방식도 달라지게 될 것이기 때문에 헬스케어산업이 4차 산업혁명에서 주목받게 되고 헬스케어산업내에서 기술들의 접목을 통해 질병과 건강에 대한 신속한 정보획득 기술, 효과적인 약물전달에 대한 기술 등과 같은 여러 영역으로 확장이 기대된다. 노령화, 소득수준 향상, 의료서비스에 대한 접근성 상승 등의 환경 변화로 인해 의료에 대한 소형화, 간편화 기기에 대한 수요가 급속히 증가할 것으로 예상된다.


치료방식에서도 과거에는 증상을 바탕으로 하는 의료가 이루어졌지만, 현재는 관련 질병검출을 위한 바이오마커 등에 대한 활발한 연구가 이뤄지고, 이를 바탕으로 한 바이오센서의 개발과 자료의 축적과 진단 패턴에 기초한 의료가 이뤄지고 있다. 현재 정확도와 효용성은 크게 개선되었으나, 아직 부족한 상황이다. 그러나 증가하는 의료 수요에 대한 지속적인 요구로 향후 빅데이터를 기반으로 알고리즘화하여 정밀의료가 가능하게 될 것이고, 치료 효율성이 크게 향상될 것으로 예상된다.


또한, 진단에 따른 더 정밀한 경향성을 얻기 위한 바이오마커의 개발과 정밀한 진단을 위한 검출기술의 개발이 절실히 필요하고, 개인의 특성에 따른 건강 자료의 수집으로 빅데이터를 구축하고, 이를 바탕으로 선제적인 진단과 치료약물의 처방이 개인별로 이루어지게 될 것이다. 따라서 다양하고 정밀한 바이오센서의 개발은 앞으로의 진단을 위한 데이터의 수집과 빅데이터의 구축을 위해 중요한 기술이 될 것이다. 이를 위해 피부 또는 체내에 삽입하여 실시간 데이터를 받을 수 있는 가볍고 소형화된 바이오센서의 개발이 필요하다. 이는 모바일폰으로 데이터 송신이 이루어 질 수 있게 개발될 것으로 기대된다.


■ 전기적 감지 바이오센서 기술


1) 국내 동향


전기적 감지 방식에 의한 바이오센서는 분석물질을 선택적으로 결합하는 인식물질을 전극표면에 고정화시키고, 바이오 물질(DNA, 단백질, 셀 등)이 인식물질에 결합할때 생성되는 전기적 특성 변화를 검출하는 것이다. 전기적 감지 방식에서 전기화학적 방식은 분석물질과 인식물질 간의 결합시 산화/환원 반응을 유도하여, 이 때 생성되는 전류 변화를 전극을 이용하여 측정하는 것이다. 나노 채널을 이용한 FET 방식은 나노선 표면에 바이오 물질이 결합할 때, 물질의 전하에 의해 유발되는 나노선 내부의 전기전도도 변화를 검출하는 방법이다. 전기화학적 방식은 대부분 산화/환원을 하는 물질을 분석물질에 부착하는 표지 방식이고, FET는 비표지(label-free) 방식이다.


최근 한국화학연구원(KRICT)에서는 탄소나노튜브를 사용한 FET 소자를 암진단과 단분자 검출에 사용하는 방법을 개발하였다. 전자부품연구원(KETI)은 2016년 성균관대와 공동으로 골다공증 검출 지표로 여겨지는 부갑상선 호르몬을 검출하여 정량화하는 나노바이오센서를 개발했다고 발표하였다. 나노복합체를 사용하여 정밀도와 안정성을 높이려고 하였으며, 통합된 회로설계로 구조를 단순화시켜 소형화를 시도하였고, 공정을 자동화하여 단가를 낮추는데 초점을 두었다.


바이오칩 시제품 개발 현황은 한국전자통신연구원(ETRI)에서 암진단 전기화학 바이오센서, 한국과학기술원과 고려대에서 미세유체 기술을 이용한 유방암 진단센서, 나노엔텍에서 전립선 질환 검출센서를 개발하였다. ETRI에서는 톱다운(top-down) 방식으로 나노선 FET을 구성하고, 전립선암의 인식물질을 사용하여 항원-항체 반응으로 센서를 제작한 바 있다. 또한 다른 방식으로 몇몇 대학과 연구소에서 lateral flow assay (LFA)인 종이칩형의 바이오센서 개발 연구도 진행중에 있고, 이 방법은 광화학, 전기화학적 검출이 다 가능하다.


몇 가지 예에서 보는 바와 같이 국내에서도 전기화학적 방법과 FET 방법을 사용하여 질병을 검출하고자 하는 바이오센서 연구를 여러 대학 연구실에서 활발히 진행하고 있고, 몇몇 기관에서 진단키트의 개발이 진행되고 있다. 최근 삼성은 미국의 스마트센서 기업을 인수하였는데, 여기서 알츠하이머와 당뇨 바이오센서가 결합된 무선스마트 시스템을 개발하였다.


2) 해외 동향


최근 전기적 감지 바이오센서 개발은 나노전도체를 사용하는 바이오센서 기술이 많이 채택되고 있다. 이 경우에 뛰어난 전기적 특성을 갖는 나노와이어나 탄소나노튜브와 같은 1차원 구조의 나노물질을 이용하여 반응과 검출이 이루어지는 구조를 가지며, 높은 전기전도도로 바이오물질을 매우 민감하게 검출할 수 있지만, 여러 분석물질을 동시에 측정하기는 어려운 단점이 있다고 알려졌다. 미국 Osmetech사와 독일 Infineon사 는 전기화학적 방법으로 DNA센서를 개발하고 있다. 전기적 제어회로를 이용하여 신호를 감지, 처리하기 때문에 다수의 검출부위에서 동시에 데이터 샘플링 및 처리가 가능하고 휴대형 장치로 사용이 가능하다. 하지만, 단점으로는 분석물질이나 인식물질에 표지물질을 부착해야하기 때문에 시료의 처리 과정이 단순하지 않다. 단백질이나 DNA의 생물분자에 부착할 경우 생물분자의 인식능력이 떨어질 수 있고, 균일한 표지가 이루어지지 않았을 때 센서의 정확도가 떨어질 수 있다.


나노 채널을 이용한 FET 방식의 바이오센서는 나노 표면에 결합하는 바이오분석물질이 가지는 전하에 의해 유발되는 전기전도도 변화를 측정하는 방식이다. 분자 또는 소량의 분석물질이 나노표면에 결합하더라도 채널 전체의 전도도가 크게 변해 고감도로 분석이 가능한 비표지 방식이다. 대체로 반도체 집적회로제조공정기법을 사용하며, 이러한 바이오센서의 유형에는 ISFET(Ion Sensitive FET), ENFET(Enzyme Based FET), IMFEF(Immunological FET) 등이 있는데, 반도체 마이크로센서와 연결하여 빠른 반응시간, 초소형 경량화, 단일칩으로 스마트화가 가능하기 때문에 최근 연구개발이 활발히 이루어지고 있다.


나노 FET 센서 기술은 하버드 대학의 Lieber 교수 연구팀이 최초로 구현하였는데, 화학증착법을 사용하여 성장시킨 실리콘 나노선으로 FET 센서를 제작하여 미량의 암마커 단백질(PSA, CEA, Mucin)을 검출하였다. 이 경우 나노선 제어가 어려워 대량 생산이나 센서의 집적화에는 여러 한계가 있는데, 포토리소그래피와 식각 기술을 이용한 실리콘 반도체 제작 공정을 사용하여 대량 생산과 실용화를 위해 개발되고 있다. 이 밖에도 일본 Osaka 대학에서는 카본나노튜브(CNT) FET 센서를 이용하여 DNA를 검출하였다.3,9) Hewlett-Packard의 Williams 연구팀에서 전자빔 리소그래피를 이용하여 나노미터 스케일의 선폭을 가지는 채널을 구성하여 DNA, 단백질 등의 검출을 수행하였다. Caltech에서는 많은 실리콘 나노선을 플라스틱 기판 위에 제작하여 유해화학물 검출과 DNA 분석을 보고하였다. 또한, Yale 대학에서는 포토리소그래피(photolithography)와 습식 식각법이 결합된 방식으로 수십 나노미터 선폭의 나노채널을 가지는 FET 센서를 구현하여 단백질을 검출하였다. 이 밖에도 싱가폴 IME에서는 UV 리소그래피와 건식식각법을 이용하여 실리콘 나노선을 패터닝하여 수 나노미터 두께의 선폭을 구현하여 DNA를 검출하는 FET 센서를 제작하였다.


MEMS는 반도체의 미세 가공 기술을 응용하여 만든 센서로서 고정밀도의 입력 및 검출 기능을 가짐에 따라 가스센서 및 바이오센서로 응용이 가능한 기술인데, 초소형 전자소자 제작기술을 활용해 이미 알려진 유전자를 대량으로 고정화시키고, 분석물질을 반응시켜 질병을 진단하는 방법이다. 극소량의 시료물질(체액, 피, 타액 등)로 진단 및 검사를 빠르게 수행할 수 있기 때문에 진단기기의 소형화가 가능하여 연구가 활발히 진행 중이다.


▲ <그림 3-1-3-1>4차 기술혁명으로 구현될 미래 사회 모습


▲ <그림 3-1-3-2>바이오센서 적용분야


▲ <그림 3-1-3-3>바이오센서의 구성 및 원리


▲ <그림 3-1-3-4>바이오센서의 요소기술과 스마트 진단기기




▲ <표 3-1-3-6>전기적 바이오센서 기술 - 국내외 선도업체


0
기사수정

다른 곳에 퍼가실 때는 아래 고유 링크 주소를 출처로 사용해주세요.

http://www.amenews.kr/news/view.php?idx=39197
기자프로필
프로필이미지
나도 한마디
※ 로그인 후 의견을 등록하시면, 자신의 의견을 관리하실 수 있습니다. 0/1000
프로토텍 11
서울항공화물 260
이엠엘 260
린데PLC
im3d
엔플러스 솔루션즈
모바일 버전 바로가기