한국나노기술원, 경기도 지원과제 통해 고민감도 바이오센서 개발
극미량의 바이오 마커 정밀하게 검출
한국나노기술원-성균관대 공동 연구
질병, 약물, 환경 관련 바이오센서에 적용 기대
한국나노기술원은 극미량의 바이오 마커를 정밀하게 검출할 수 있는 고민감도 바이오센서를 개발했다고 31일 밝혔다.
경기도 지원을 받아 나노바이오소자 기술개발사업을 수행하고 있는 한국나노기술원(연구책임자 전영진 박사)이 성균관대(연구책임자 박진홍/박성하 교수)와의 공동 연구를 통한 성과이다.
공동연구팀은 2차원 반도체 및 금속이온이 결합된 M-DNA 나노구조물을 활용하여 기존 바이오센서 대비 100배 정도의 민감도로 극미량의 바이오 마커를 정밀하게 검출할 수 있는 고민감도 바이오센서를 개발했다.
일반적으로 바이오센서의 민감도는 센서 성능 및 바이오 마커의 검출 범위를 결정하는 중요한 요소이다. 현재까지 바이오센서 민감도를 향상시키기 위해 소재, 구조 측면에서 다양한 시도가 있었지만 민감도를 크게 향상시키지는 못했다.
공동연구팀은 이황화몰리브덴(MoS2)과 M-DNA 나노구조물 기반의 바이오센서를 새롭게 제작해 기존 바이오센서 대비 약 100배 이상 높은 민감도를 확보하고, 극미량의 바이오 마커를 정밀하게 검출할 수 있는 고민감도 바이오센서 동작을 확인했다고 밝혔다.
연구팀은 바이오센서의 민감도를 향상시키기 위해 소재 및 구조, 두 가지 측면에서 연구를 진행했는데, 우선 높은 민감도를 확보하기 위해 소재 측면에서 2차원 반도체 물질인 이황화몰리브덴(MoS2)를 적용했다.
상용화된 바이오센서에 사용되는 Si과 같은 3차원 반도체 물질의 경우, 바이오 마커 감지 시 정전효과(electrostatic effect)에 의해 3차원 반도체 표면 부분의 전하량만 변화하지만, 극박막 2차원 반도체 물질은 바이오 마커 감지 시 반도체 물질 전체의 전하량이 바뀌어 높은 센서 민감도를 확보할 수 있다.
또한 구조적인 측면에서는 2차원 반도체 물질 위에 M-DNA 나노구조물을 바이오 수용기 용도로 도포하여 높은 민감도를 확보했다.
기존에는 바이오 마커를 감지하는 바이오 수용기를 얇은 산화막 위에 도포하여, 바이오 마커 감지 시 얇은 산화막을 통해 반도체 층의 전하량을 변화시키는 방식이었다. 본 연구에서는 2차원 반도체 물질 위에 직접 M-DNA 나노구조물 수용기를 도포함으로써 정전효과를 극대화시켜 높은 민감도를 확보했다.
결과적으로 연구팀은 소재/구조적 측면에서 새로운 바이오센서를 제작하여 항암제의 일종인 독소루비신(Doxorubicin)을 검출하는데 성공했고, 기존 바이오센서 대비 100배 이상의 민감도를 확보할 수 있음을 실험적으로 증명했다.
성균관대 박진홍 교수는 “이번 연구는 기존 바이오센서 대비 100배 이상 높은 민감도를 확보함으로써 극미량의 항암제를 정밀하게 검출하는 고민감도 바이오센서를 개발한 것”이라며 “향후 질병, 약물, 환경과 관련된 다양한 바이오 마커를 감지할 수 있는 바이오센서들에 적용할 수 있을 것이다” 라고 연구의 의의를 설명했다.
한편, 이번 연구성과는 네이처 퍼블리싱 그룹(Nature Publishing Group)에서 발행하는 세계적 권위의 국제 학술지인 <사이언티픽 리포트(Scientific Reports)> 10월 24일자에 게재되었다.
<용어설명>
1) 바이오 마커 : 단백질이나 DNA, RNA, 대사 물질 등을 이용해 몸 안의 변화를 알아낼 수 있는 지표.
2) 2차원 반도체 : 2차원 나노판상 구조를 갖는 물질로 그래핀, MoS2, MoSe2, WS2, WSe2 등이 있음.
3) 이황화몰리브덴(MoS2) : 전이금속 칼코겐 화합물. 그래핀과 유사하게 나노판상 구조를 가지고 있지만 밴드갭이 존재함.
4) 정전효과(electrostatic effect) : 정전효과는 일반적으로 부도체 표면 간 접촉에 의해 전하를 유도시키는 현상을 말함. 바이오센서에서는 바이오 마커의 극성에 의해 정전효과로 반도체 물질 영역의 전하량을 변화시킴.
5) 바이오 수용기 : 특정 바이오 마커를 검출할 수 있는 수용기. 바이오센서에서 유기체나 생물학적 요소를 본 따서 만든 분자를 바이오 수용기로 사용함.
6) 독소루비신(Doxorubicin) : 악성림프종, 소화기암, 폐암, 유암에 뛰어난 항암효과를 지닌 물질로, 과다 복용할 경우 심근증, 골수억제, 위장병변 등의 부작용이 있음.
