한국표준과학연구원(KRISS) 나노바이오센서팀과 반도체측정장비팀은 세계 최고 수준인 펨토 몰(1000조 분의 1 몰) 수준으로 실시간 측정이 가능한 장비 개발에 성공했습니다. 조기진단이 필요한 급성심근경색증, 치매, 각종 감염병 등에 활용이 기대됩니다. 해당 연구는 <Biosensors and Bioelectronics>에 게재됐습니다.
- 몰(기호:mol)
몰은 물질량의 국제단위계(SI) 단위로 어떤 계의 물질량은 명시된 구성요소의 수를 나타내는 척도입니다
혈액·체액 내에서 간단히 측정 가능
연구팀이 개발한 장비는 복잡한 과정 없이 쉽고 간단하게 실시간으로 혈액‧체액 내 특정 물질을 측정할 수 있습니다. 이번 성과는 2016년도에 개발한 기술을 고도화한 것으로 기존 장비보다 450배 이상 측정 민감도를 갖습니다.
급성심근경색은 관상동맥이 혈전으로 막혀 산소와 영양분 공급 부족으로 심장근육이 괴사하는 질환입니다. 골든타임 2시간 이내의 신속한 응급조치를 위해서는 조기진단이 매우 중요합니다. 이를 위해서 급성심근경색증 발병 초기에 특이하게 발견되는 '트로포닌'이라는 물질을 빠르게 측정할 수 있어야 합니다. 트로포닌은 혈액 내 농도가 피코 몰(1조 분의 1 몰) 이하의 극미량이므로 관찰이 어렵습니다.
광학적 신호 증폭만으로 한계 극복
트로포닌처럼 혈액·체액 내 특정 질환 여부나 상태를 나타내는 단백질·DNA 등 지표 물질을 '바이오마커'라고 합니다. 주로 형광물질을 띠는 나노물질이나 효소를 반응시켜 측정 신호를 높여 관찰하는 방법이 사용되는데 신호의 발생과 증폭, 세척 등 분석과정이 복잡하고 분석 시간이 깁니다.
연구팀이 개발한 장비는 별도의 신호증폭과정과 세척과정이 필요 없이 광학적으로 신호를 증폭시키는 기술로, 분석과정이 복잡하고 시간이 긴 기존 방법의 한계를 극복할 수 있습니다. 이 기술은 빛을 특정한 각도로 실리콘 표면에 반사해 특정 물질의 변화 과정을 민감하게 측정합니다.
연구팀은 빛의 산란으로 생기는 방해 신호를 최소화하기 위해 타원계측장치를 독립형으로 구축했습니다. 구축된 장치는 분석용액이나 주변 환경의 온도 차에 의한 굴절률 변화에 영향을 받지 않고, 오직 항원-항체 반응에 의한 실리콘 센서칩 표면의 두께 변화만 측정하도록 설계돼 더욱 정밀한 측정이 가능합니다.
이번 기술은 치매 조기진단에도 활용할 수 있다. 현재 대부분의 치매 진단은 뇌 영상 촬영 또는 뇌척수액 분석을 통해 이뤄집니다. 하지만, 검사비용이 비싸고, 시료 채취가 어려워 조기에 발견하기 힘듭니다. 혈액 내 존재하는 치매 원인 물질인 베타아밀로이드와 타우단백질에 대해 펨토 몰 수준의 세밀한 농도 변화를 측정할 수 있다면 조기 진단도 가능합니다.
KRISS 조현모 책임연구원은 "치매는 이상 증세가 발생했을 때 손쓸 수 없는 정도로 병이 진행된 경우가 많다"라며 "극미량의 세밀한 농도변화까지 측정할 수 있는 이번 기술을 활용하면 혈액만으로도 치매의 조기진단이 가능해질 것"이라고 기대를 밝혔습니다.
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