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문제 정의
- 를 개발하였다. 이 센서는 뛰어난 감도와 선택성을 : 갖고 있는 펩 티 드와 우수한 전자적 성 질을 가지 고 : 있는 탄소나노튜브를 조합하여 제작하였고, 향후 다 ; 양한 화학종의 인지 및 탐지를 가능하게 만들었다. I 제작된 탄소나노튜브 나노바이오센서는 복잡한 전 ': 자회로를 설치할 필요 없이 간단한 장치를 이용해 ! 극한 농도의 검출물을 탐지할 수 있으므로 향후 잠 1 재성은 매우 크다고 기 대된다.
- 이 연구진은 실리콘 나노와이어에 전립선 특이항원 등 전립선암에 특이적으로 나타나는 암표지 분자들에 대한 항체를 결합시키고, 항체에 항원이 결합할 때 나노와이어의 전기전도도가 일시적으로 변하는 것을 실시간으로 검출하는 센서 개발에 성공하였다. 연구결과, 10-15M 수준의 민감도를 측정할 수 있고, 향후 혈액검사의 전립선특이항원(Prostatespecific Antigen, PSA)의 검출을 통해 전립선암을 조기 에 진단할 수 있다고 보고하였다.
- 외 기술동향을 분석하였다. 나노바이오센서로서 응용가능성이 예상 I 되는 대표적인 센서 인, 광섬유 나노바이오센서, 나노입자 바이오센서, 캔 : 티레버 나노바이오센서, 나노와이어/탄소나노튜브 나노바이 오센서, 전 ! 자코/전자혀 나노바이오센서로 분류하고, 센서 종류별로 각각의 기술을 I 분석하고, 최근 연구개발 동향을 소개한 후, 그 응용방향을 제시하고자 한 ; 다 . I
제안 방법
- Vo-Dinh 그룹은 개발된 광섬유를 이용한 나노바이오센서를 이용하여 크기 10 四인 단일 동물세포(MCF-7)를 분석하였다. Vo- Dinh 그룹은 그림 1의 '가열 및 당김' 방법을 이용하여 그림 2에서 보여준 것 같은 모습으로 팁 직경이 50nm인 나노스케일 광섬유 나노바이오 센서를 제작한 후, 이 센서를 동물세포에 침투시켜 분석하였다.
- 한편, 제작된 단일세포 분석용 광섬유 나노바이오 센서는 극미량 물질을 선택적으로 분석할 수 있다는 특징을 가지고 있다. Vo-Dinh 그룹은 개발된 광섬유를 이용한 나노바이오센서를 이용하여 크기 10 四인 단일 동물세포(MCF-7)를 분석하였다. Vo- Dinh 그룹은 그림 1의 '가열 및 당김' 방법을 이용하여 그림 2에서 보여준 것 같은 모습으로 팁 직경이 50nm인 나노스케일 광섬유 나노바이오 센서를 제작한 후, 이 센서를 동물세포에 침투시켜 분석하였다.
- 개발된 센서는 나노입자 형태를 가진 센서로서 수십 나노미터 직경을 가진 금속 나노 껍질(Nanoshell)의 광학적 특성을 이용한 것이다. 이 기술은 나노쉘의 전기적광학적 특성을 정밀하게 제어하여 분석할 수 있는 것으로, 향후 바이오센서 분야에서 폭넓게 응용될 수 있고, 암 검진 등에도 중요하게 이용될 것으로 예상된다.
- 향후 상용화 될 전자코 « 의 크기는 매우 작아 손목시계 내에 삽입 되어 사용 : 하게 될 것이며, 신체가 알레르기나 오염물에 노출 ; 되 었을 때 즉시 경고를 함으로써 위험으로부터 신체 ; 를 보호해줄 수 있을 것이다. 또한 소형화된 전자혀 : 는 초소형 액티브 센서로써 식품 유통과정 상의 온 : 도변화를 실시간으로 측정 . 관리하는 용도로 사용 : I 할 수 있다.
- 또한, 이 연구팀은 DNA 바코드(Barcodes)를 갖 ; 는 약 30 nm 나노입자를 개발하여 네 개의 돌연변 ] 이를 동시에 탐지할 수 있는 혁신적인 DNA 서열 : 탐지 기 술을 개 발하였다. 이 기 술은 향후 복합 시스 : 템 (Multicomplexed System)으로 응용할 수 있는 차 ! 세대 핵심기술이며, 이 방법을 사용하면 DNA는 수 : 백 zM(Zetmole, IO”)까지, 단백 질은 aM(Attomole, 10-18)까지 검출할 수 있다.
- 본 고에서는 현재까지 개발된 나노바이오센서 기술 중 차세대 성장주 ; 도 기술로 주목받고 있는 기 술을 다음과 같이 4가지 종류로 분류하여 국 I 내 . 외 기술동향을 분석하였다.
- . 외 기술동향을 분석하였다. 나노바이오센서로서 응용가능성이 예상 I 되는 대표적인 센서 인, 광섬유 나노바이오센서, 나노입자 바이오센서, 캔 : 티레버 나노바이오센서, 나노와이어/탄소나노튜브 나노바이 오센서, 전 ! 자코/전자혀 나노바이오센서로 분류하고, 센서 종류별로 각각의 기술을 I 분석하고, 최근 연구개발 동향을 소개한 후, 그 응용방향을 제시하고자 한 ; 다 .
- 이 연구그룹에서는 Si 나노와이 어 바이오센서를 이용하여 나노미터까지 측정할 수 있는 센서를 만들었는데, 이 센서는 부피 대 표면적이 크기 때문에 선택성 이 매우 우수하다. Lieber 연구그룹은 전립 선암을 진단하는 데에도 활용하는 연구도 수행하였다.
- ! 터링하기 위하여 휴대용 소자를 개발하였다. 이 프 ; 로토(Proto) 타입의 소자는 4개의 서로 다른 모드로 ; 작동되는 4개의 전류 감시센서를 사용하였다.
대상 데이터
- 나노 입자를 이용한 나노바이오센서를 연구하는 ; 선진 연구 그룹 중, 미국 Northwestern 대학의 ; Mirkin 그룹 연구진에서 나노입자를 바이오센서에 : 제일 처음으로 응용하였다. Mirkin 그룹 연구진은 : DNA와 단백질 검출 과정에서 기존에 주로 사용해 : 오던 형광이나 전기화학적 방법이 아닌 나노입자를 : 바이오센서에 응용하는 새로운 기술을 선보였다.
성능/효과
- 특히, 빛을 이용하는 센서이므로 빛의 경로가 수십 나노미터만 변화해도 신호를 발생시키는 민감성을 가지므로 초고감도 센서로 활용할 수 있어 그 활용성이 매우 높으리라 예상된다. 또한, 벤조피 렌 테트롤(BPT), 벤조피 렌 (BaP), 단일세포 내에서 생화학적 표적물질을 검출할 수 있고, 세포자살(Apotosis)의 초기 바이오마커로 사용되는 단일 세포 내 프로테아제 활성화도를 측정하는 데 이용할 수 있으며, 싸이토크름 c와 같이 세포 상호간 에너지 생산과정에서 중요한 역할을 하는 단백질을 모니터링 할 수 있다.
- 탄소나노튜브는 지름이 lnm 정도 되고, 튜브 속이 비어 있어 있는 길쭉한 분자로서, 구조와 상황에 따라 전도체 특성과 반도체 특성을 동시에 갖고 있고, 이러한 전기적 성질은 인위적으로 조절하는 것이 가능하다는 특성이 있다. 또한, 탄소나노튜브 기반 나노바이오센서는 합성과정에서 나노와이어에 비해 전자특성을 쉽게 제어할 수 있다는 장점이 있고, 탄소나노튜브에 DNA를 붙이는 과정상에서 나노와이 어 보다 신호 증폭하기 용이하고, 재현성이 높고, 제조공정이 쉽다는 장점이 있다.
후속연구
- 이 프 ; 로토(Proto) 타입의 소자는 4개의 서로 다른 모드로 ; 작동되는 4개의 전류 감시센서를 사용하였다. 개발 ; 된 센서는 실제로 16개 센서 효과를 나타내는 것으 ; 로서, 22개의 유해가스를 감지할 수 있고, 이 시스템 : 은 향후 곡물의 품질 분류에 응용될 수 있다.
- 이 센서는 뛰어난 감도와 선택성을 : 갖고 있는 펩 티 드와 우수한 전자적 성 질을 가지 고 : 있는 탄소나노튜브를 조합하여 제작하였고, 향후 다 ; 양한 화학종의 인지 및 탐지를 가능하게 만들었다. I 제작된 탄소나노튜브 나노바이오센서는 복잡한 전 ': 자회로를 설치할 필요 없이 간단한 장치를 이용해 ! 극한 농도의 검출물을 탐지할 수 있으므로 향후 잠 1 재성은 매우 크다고 기 대된다.
- 연구결과, 10-15M 수준의 민감도를 측정할 수 있고, 향후 혈액검사의 전립선특이항원(Prostatespecific Antigen, PSA)의 검출을 통해 전립선암을 조기 에 진단할 수 있다고 보고하였다. 또한 이 기술은 여러가지 암에 특이적 인 반응을 하는 마커를 검출하여 암의 형태와 상태까지 정확하게 진단하는 센서의 개발 가능성을 보여주었다.
- 또한, DNA 복제, 단백질 합성, 신약 개발 등의 분야에서도 크게 활용될 수 있으며, 화학적 반응도측정을 통해서 품질공정 제어 분야에 응용하여 경 쟁력 있는 고품질 제품을 생산하는 것도 가능하다. 특히, 캔틸레 버 나노바이오센서를 이용하면 칩 하나를 가지고 다양한 유해 물질을 동시에 모니 터 링하는 시스템을 개발할 수 있으므로 초소형 고감도 센서로서 그 활용가능성 은 매우 높다고 판단된다.
- 킬 것으로 기대된다. 바이오 감지능력 이 혁신적으로 향상된 전자코/전자혀 기술은 향후 다양한 응용분야에서 일반인이 대중적으로 사용할 수 있는 센서로 개발될 것으로 예상되어 건강모니터 링용으로서의 활용가능성이 무한한 것으로 예상된다.
- 분자들에 적절한작용기를 부여하여 항체-항원을 기 '; 본으로하는면역센서(Immunosensor)에 도입을통 ; 해서 임상 분자진단(Clinical Molecular Dignostics), ; 병 리학, 약물 전달에 이 르는 다양한 분야에 응용될 ; 수 있다. 이러한 DNA 검출 기술은 초기 암 진단 현 ; 장진료 등 즉각적 인결과를 요구하는 분자검 진용 장 : 비로 개발될것으로기 대하고있다.
- 응용 가능한산업분야를살펴보면, 캔틸레버를 이용한 물질 모니터링 방식은 병원의 위생환경 모니터링, 군사 및 테러예방목적의 생화학 무기 감시 질병 진단 등의 목적으로 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 또한, DNA 복제, 단백질 합성, 신약 개발 등의 분야에서도 크게 활용될 수 있으며, 화학적 반응도측정을 통해서 품질공정 제어 분야에 응용하여 경 쟁력 있는 고품질 제품을 생산하는 것도 가능하다.
- 사용한 박막 가스 센서를 사용하였다. 이 기 ; 술로 개발된 센서 의 크기가 줄어들면 향후 전자코 [ 시스템의응용가능성이더커질것이다.
- 개발된 센서는 나노입자 형태를 가진 센서로서 수십 나노미터 직경을 가진 금속 나노 껍질(Nanoshell)의 광학적 특성을 이용한 것이다. 이 기술은 나노쉘의 전기적광학적 특성을 정밀하게 제어하여 분석할 수 있는 것으로, 향후 바이오센서 분야에서 폭넓게 응용될 수 있고, 암 검진 등에도 중요하게 이용될 것으로 예상된다.
- 특히, 자성 나노입자를 이용한 나노바이오 센서는 바이러스의 농도가 매우 낮거나 탁한 용액 속에서도 감지할 수 있으며 바이러스의 정제나 분리과정이 필요 없다는 장점이 있어 간편하고 신속하게 검출할 수 있다는 장점이 있다. 이 러한기술이 상용화되면 인체 내 HIV(인체면역결핍바이러스) 바이 러 스의 숫자를 스캐 닝 을 통해서 간편하게 검출할 수 있고, 유전자 치료의한 방법으로 체내에 투여하는 DNA 운반 바이 러스 숫자를 측정할 수 있을 것으로 기대된다. 이 기술이 기존 기술한계를 극복할 수 있는 핵심적인 신기술로 주목받고 있는 이유는 이차원 평면상에 생체물질을 어레이하는 기존의 복잡한나노어레이 분석방법 대신 나노입자를 제작하고 표면에 형광물질이 붙어 있는 생체물질을 코팅하는 용액 어 레이(Solution Array)형태로 분석하는 방법이기 때문이다.
- 개발하였다. 이 센서는 향후 물속에 있는 바이러스, 박테리아 또는 다른 미생물 등의 검출과 같은 환경 분야에 응용될 것으로 기대되고 있다. 한편, Liu 연구팀은 나노입자 결합 여부에 영향을 미치는 Pb이온으로 금 나노입자 표면을 개질하여 색도 (Colorimetric) 나노센서를 제조하였다.
- 탄소나노튜브 기반 나노바이오센서 는 극소량의 생체시료를 이용하여 유전자를 분석할 수 있고, 단일 세포 또는 국소부위에서 세포의 생화학적 신호전달, 신진대사 등에 대하여 실시간 모니터링하는 것이 가능하므로 임상 분자 검 진(Clinical Molecular Diagnostics)용 장비 개발, 병 리학, 약물전달, 신약개발 등의 분야에 대한 활용성이 매우 높아 산업화되면 응용산업 분야에 파급효과가 매우 클 것으로 기대된다.
- 세포의 각 부위별로 물리학적 생물학적 상호감지를 할 수 있다는 장점이 있다. 특히, 빛을 이용하는 센서이므로 빛의 경로가 수십 나노미터만 변화해도 신호를 발생시키는 민감성을 가지므로 초고감도 센서로 활용할 수 있어 그 활용성이 매우 높으리라 예상된다. 또한, 벤조피 렌 테트롤(BPT), 벤조피 렌 (BaP), 단일세포 내에서 생화학적 표적물질을 검출할 수 있고, 세포자살(Apotosis)의 초기 바이오마커로 사용되는 단일 세포 내 프로테아제 활성화도를 측정하는 데 이용할 수 있으며, 싸이토크름 c와 같이 세포 상호간 에너지 생산과정에서 중요한 역할을 하는 단백질을 모니터링 할 수 있다.
- 환경모니 터 링 등이다. 향후 상용화 될 전자코 « 의 크기는 매우 작아 손목시계 내에 삽입 되어 사용 : 하게 될 것이며, 신체가 알레르기나 오염물에 노출 ; 되 었을 때 즉시 경고를 함으로써 위험으로부터 신체 ; 를 보호해줄 수 있을 것이다. 또한 소형화된 전자혀 : 는 초소형 액티브 센서로써 식품 유통과정 상의 온 : 도변화를 실시간으로 측정 .
- 화학적 선택성을 갖는 폴리머, 바이오나노복합체, 나노와이 어, 탄소나노튜브 등과 같은 신물질 개 발은 바이오 화학적 감지 능력을 혁신적으로 향상시킬 것으로 기대된다. 바이오 감지능력 이 혁신적으로 향상된 전자코/전자혀 기술은 향후 다양한 응용분야에서 일반인이 대중적으로 사용할 수 있는 센서로 개발될 것으로 예상되어 건강모니터 링용으로서의 활용가능성이 무한한 것으로 예상된다.
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