[논문]나노 와이어 및 튜브를 이용한 바이오 센서

박세일; 윤완수

제안 방법

그림 6두 개의 전극 사이에 부착한 DNA와 금입자에 부착한 DNA가 상보적 결합을 하여금 입자가 전극원지인 미국에서는 코넬 사이에 고정된다. 다음 단계로 은을금 입자 표면에서 자라게 하여 두전극이 전기적으로 서로 연결되게 하는데, 이를 통해서 DNA를 전기적인 방법으로 검출할 수 았다.
그림 3나노소자 어레이를 이용한 단일 세포 대사 연구모식도. 미세유체관에 화학적인 방법으로 고정된 세포의 환경을 조절하며 세포의 대사물질을 나노소자 어레이를 통해서 분석한다.

후속연구

나노소자는 매우 작은 신호에 극히 민감하게 반응하며 작은 면적에 고집적이 가능하고 전력 소모량이 작다는 등의 특징을 소유하는 데 이러한 나노소자의 장점을 이용하면 매우 높은 검출감도와 단일 생체분자의 검출 한계를 갖는 단일 세포 대사(single cell metabolism) 연구용 및 의료진 단용 생체분자 검출 기술을 개발할 수 있다. 나노소자를 기반으로 하여, 초고감도를 소유하고 단일분자의 측정한계를 갖는 생체분자 검출 기술을 개발하면 단세포대사와 같은 생명현상의 탐구 외에도 의료, 환경, 보건, 위생, 국방 등 다양한 기술 및 산업 분야에 폭넓게 응용될 수 있어 이 기술이 갖는 기술 잠재력 및 기술적 파급효과는 실로 막대할 것으로 기대된다. 그림 2는 NASA에서 예측한 나노센서기술 로드맵으로 2004년에 탄소나노튜브 (CNTX 이용한 나노 바이오센서 시제품이 개발되고 2005년에는 CNT반 질병 진단용 센서가 2006년 이후에는 체내 삽입 가능한 포도당 센서 및 다기능 센서 어레이 등이 개발될 것을 예견하고 있으며, 이 중 일부는 이미 개발되었거나 연구 중에 있다.
이러한 검출 기술을 확보하면 미세유체관을 통해 세포의 환경을 조절하면서 이에 따른 세포의 반응 양상에 따른 생체물질의 변화를 연구하는 것도 가능하다. 동일한 기술을 의료진단에 적용하면, 미세 유체관을 통해 환자에게서 채취한 혈액을 주입함으로써 혈액 내의 특정 물질의 농도를 측정하거나 존재 유무를 판별하는 데 이용할 수 있을 것이다. 이와 같은 측정/검출기술을 통해 휴대가 간편한 소형 진단 킷을 제작할 경우 의료진단 분야에 있어서 현장 진단(point-of-care)의 실현을 가능하게 할 것으로 기대된다.
향후 분자와 같은 생체 구성 요소를 효과적으로 고정시킬 수 있는 화학작용에 대한 연구가 더 진전되면 바이오센서의 성능 이 상당히 향상될 뿐 아니라 안정되고 생산이 용이해질 것이다. 또한 앞으로 몇 년 안에 생체분자를 고정시키 는 모체로 사용하기에 적합한 박막(membrane)을 합성하는 기술이 크게 진전될 것으로 보인다. 이러한 박막은 생물 또는 산업액체나 가스의 부식효과에 저항하는 특성을 가지며 접착력이 강해야 한다.
센서를 소형화하고 여러 가지 기능을 통합하는 기술이 향상되면 성능이 우수한 소형의 다기능 응용 제 품을 개발할 수 있을 것이다.가령 발효 분야의 경우 온도, pH, 용해된 이산화탄소, 산소 등과 같은 핵심 변 수를 측정할 뿐 아니라 포도당, 인산염, 암모니나, 황산염, 질산염, 나트륨, 칼륨, 염화물 등과 같은 성장 변 수도 측정할 수 있어야 하며, 인체의 기능을 체내에서 분석하려면 유연성 있고 견고하면서도 다기능 및 소형화가 이루어져야 한다.
△ 식품 및 약품 가공=식품산업은매우 다양하 고 이윤이 적기 때문에 바이오센서 시장이 형성되기 어렵지만 미생물, 설탕, 식품 변질표시기, 잔류물, 오염물질 등 일반적인 부분의 수요가 예상된다. 식품품 질에 대한 규제가 강화돼가는 한편 값싸고 신뢰도가 높으며 사용하기 편한 바이오센서가 개발됨에 따라 식품산업 부문의 화합물을 분석하는 데 유용할 것이다. 약품에 오염물질이 미량이라도 들어있으면 면역반작용이나 부작용을 일으킬 수 있는데 이를 방지하기 위한 바이오센서 기반의 품질관리 시스템을 개발할 필요가 있다.
지난 97년 약 4억5천만달러이던 세계 바이오센서 시장이 2003년에는 9억7천만달러에 이를 것으로 전망되고 있다. 앞으로 4년 내에 바이오 센 서가 기존의 종이 혈당 실험 기술을 대체할 것으로 예상된다. 비침투 바이오센서가 곧 상용화돼 2003년에 는 포도당 센서 시장의 4%를 차지할 것으로 전망된다.
이처럼 단백질 공학은 바이오 센서의 성능에 영향을 주는 온도, pH 및 다른 변수의 효과를 줄일 수 있다. 이 분야 기술을 활용하려면 단백질에 관한 구체적인 정보가 있어야 하는데 현재 그런 정보가 없거나 있더라도 불완전한 것뿐이어 서 장기적으로 유전공학, 엑스선 결정학, 컴퓨터공학 등 단백질 공학에 긴요한 세 가지 기술이 발전하면 더 안정되고 신뢰도가 높은 차세대 바이오센서가 개발될 수 있을 것이다.
이러한 기술의 발전 배경에는 전자빔리소그라피 기술과 같은 미세 패턴 형성 기술의 발달과 자기 조립 (selfassembly)을 이용한 나노구조의 자발적 형성기술의 비약적 발전이 그 근간을 이루고 있다. 이 분야의 발전 추세는 Nano/MEMS 기술의 장점인 전자회로와의 집적화 및 감지부의 어레이화를 통해 지능화 및 다기능화를 추구하고 있으며, IT,BT,ET 등 신기술과의 융합을 통한 새로운 센서응용 분야를 창출하는 방향으로 전개될 것이다. 우리의 경우 나노구조체 제작의 핵심기술인 반도체 제조기술이 세계적으로 우위에 있고 MEMS 기술이 성숙기에 접어드는 한편 정부의 적극적인 투자로 나노종합팹이 KAIST에 특화팹이 KIST에 유치되어 나노구조 제작 및 응용연구를 위한 인프라 구축이 급속히 이루어지고 있어서 5년 내에 국제경쟁력 확보가 가능할 것으로 전망된다.
다양한 기능을 갖는 나노소자를 제작하여 이들을 어레이 타입으로 배열하고 세포의 고정이 가능하도록 화학적으로 변성한 마이크로 유체채널을 정렬함으로써 세포를 나노소자 어레이 위에 고정하면 세포의 대사 연구 에 적절한 생체분자 검출기를 제작할 수 있다. 이러한 검출 기술을 확보하면 미세유체관을 통해 세포의 환경을 조절하면서 이에 따른 세포의 반응 양상에 따른 생체물질의 변화를 연구하는 것도 가능하다. 동일한 기술을 의료진단에 적용하면, 미세 유체관을 통해 환자에게서 채취한 혈액을 주입함으로써 혈액 내의 특정 물질의 농도를 측정하거나 존재 유무를 판별하는 데 이용할 수 있을 것이다.
동일한 기술을 의료진단에 적용하면, 미세 유체관을 통해 환자에게서 채취한 혈액을 주입함으로써 혈액 내의 특정 물질의 농도를 측정하거나 존재 유무를 판별하는 데 이용할 수 있을 것이다. 이와 같은 측정/검출기술을 통해 휴대가 간편한 소형 진단 킷을 제작할 경우 의료진단 분야에 있어서 현장 진단(point-of-care)의 실현을 가능하게 할 것으로 기대된다.
가령 현재가장 많이 사용하고 있는 효소를 폴리머 겔로 가두는 방법을 사용하면 효소의 활동이 계속 떨어지는 결과가 나타난다. 향후 분자와 같은 생체 구성 요소를 효과적으로 고정시킬 수 있는 화학작용에 대한 연구가 더 진전되면 바이오센서의 성능 이 상당히 향상될 뿐 아니라 안정되고 생산이 용이해질 것이다. 또한 앞으로 몇 년 안에 생체분자를 고정시키 는 모체로 사용하기에 적합한 박막(membrane)을 합성하는 기술이 크게 진전될 것으로 보인다.
현재 몇 가지 형태의 환경감시 바이오센서가 개발되고 있으며, 여기에는 완전세포, 효소, 항 체 , 수체 단백질, 리보솜 등을 비롯한 광범위한 생체 구성 요소가 사용된다. 환경 분야와 밀접한 관계가 있는 군사 및 대테러 부문에서 생화학 전의 매체를 신속하게 감지하는 데도 유용하게 쓰일 것이다.

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