연구배경은?

• 세포나 장기 내의 바이오 물질을 분석해 특정 질환과의 연관성이나 발생 매커니즘 등을 규명하는 연구를 토대로 신약 개발이 활발합니다.
• 단백질 같은 대부분의 바이오 물질은 가시광선 영역에서 무색의 투명한 상태이기 때문에 육안이나 광학 현미경으로 관찰하고 분석하기가 어렵습니다.
• 이를 관찰하기 위해서는 바이오 물질에 특정 색상을 나타나게 하는 바이오 마커를 사용하거나 스펙트럼 특성을 분석해왔습니다.
• 바이오 마커 기술은 바이오 물질의 특성을 변화시킬 수 있고, 경우에 따라 바이오 마커 처리가 불가능한 물질이 있어 바이오 마커 없이 바이오 물질을 검출하는 기술 개발이 필요합니다. 
• 스펙트럼 분석 역시 복잡한 광학ㆍ분광기기가 필요하며, 분석의 해상도 또한 낮은 문제점이 있습니다. 

뭘 발견했는가?

• DGIST 정보통신융합전공 장재은 교수팀이 나노구조체를 이용해 바이오 물질의 색상을 발현시키고 새로운 이미지 신호처리 기법을 적용한 바이오센서를 개발했다고 합니다. 
• 장재은 교수팀은 DGIST 뇌ㆍ인지과학전공 문제일 교수팀과 정보통신융합전공 황재윤 교수팀과의 공동연구를 통해 나노구조체의 플라즈모닉 현상에 의한 선택적 투과 특성을 이용한 바이오센서 연구를 진행했습니다.

어떻게 조사했나?

• 금속박막에 나노미터(nm)사이즈의 균일한 구멍(hole)이 주기적으로 배열된 플라즈모닉 나노구조체를 제작했습니다. 
• 금속박막에 규칙적으로 미세한 구멍을 만들면 컬러렌즈가 특정한 빛만 선택적으로 통과시키는 것처럼 나노구조체 주변의 성질이 바뀌며 선택적으로 통과하는 빛의 파장 특성도 변해 다른 색상을 나타내게 됩니다. 
• 이 기술은 나노구조체 위에 다양한 바이오 물질을 놓았을 경우 물질마다 고유의 다른 색상을 나타나게 할 수 있어 육안 혹은 현미경으로 구분할 수 있습니다. 
• 또한, 분광기 같은 분석 장비 없이 비교적 간단한 이미지 센서를 사용해 얻어진 바이오 물질의 이미지 데이터를 픽셀 별로 분석했습니다. 그 결과, 바이오 물질 변화에 따른 색의 민감도가 나노구조체 배열의 간격과 관련있다는 사실을 증명해 정확도 높은 이미지 신호 처리 기법도 개발했습니다. 
• 연구팀은 이러한 기술을 적용해 바이오 물질의 변화에 따른 나노구조체의 색상정보를 이미지 센서를 통해 얻었습니다. 그리고 새롭게 개발한 신호처리 기술과 접목시켜 바이오 물질을 실시간으로 정밀하게 검출할 수 있는 바이오센서를 개발하는데 성공했습니다. 

특이한 점은?

• 연구팀이 개발한 바이오센서는 2차 처리나 분석장비 없이도 바이오 물질을 실시간으로 분석 및 검출할 수 있어 질병 메커니즘 분석, 신약 개발 등 바이오 분야 연구에 널리 사용할 수 있을 것으로 보입니다.
• 또한 현미경을 사용하는 기존 분석법에도 적용이 가능해 상용화도 용이하다는 장점이 있습니다. 

이 연구가 왜 중요할까?

• 투명한 바이오 물질에 대해 별도의 처리과정과 복잡한 장비 없이 실시간으로 센싱 및 정량화가 가능하고 기존 관련 연구대비 높은 민감도를 보여줌으로써 매우 정밀한 분석이 가능해졌습니다.
• 이 기술은 바이오 물질 뿐 아니라 굴절률이 다른 모든 투명한 물질을 매우 낮은 오차로 구별해 낼 수 있습니다. 또한 물질에 대한 정량적 예측도 가능해 활용 범위가 넓다고 합니다. 

"바이오 연구 분야에서 필수적인 바이오물질의 구분 및 추적등에 효과적으로 적용할 수 있는 핵심기반 기술을 개발했습니다. 나노공학, 전자공학, 뇌과학 분야 전문가들의 융합연구 결과로 뇌질환 연구 및 치료에 적극 활용할 수 있을 것으로 기대합니다"

-장재은 교수- 
 

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