[초소형 휴대형 메타표면 바이오센서 개발]

 

 

노준석 POSTECH(포항공과대학교) 교수 연구팀은 유용상 고려대 교수팀과 공동으로, 고가의 분광기 없이 카메라 영상만으로 생체분자를 정밀하게 검출하는 '메타표면 바이오센서'를 개발했다고 밝혔다. 이번 연구 결과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 게재됐다.

기존 광학 바이오센서는 빛의 미세한 변화를 측정해 생체분자를 검출하는 방식으로, 형광 물질 없이도 분자를 직접 확인할 수 있다는 장점이 있었다. 그러나 정밀 측정에 필요한 분광기가 크고 값비싸, 병원 밖에서 활용하기 어렵다는 한계가 뚜렷했다.

연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 발상을 전환했다. 핵심은 '연속 기하학적 구배 메타표면'이라는 특수 칩이다. 칩 위의 나노 구조를 위치마다 조금씩 다르게 설계해, 각 지점이 서로 다른 파장의 빛에 반응하도록 만든 것이다. 피아노 건반이 자리마다 다른 음을 내듯, 칩의 각 지점이 저마다 다른 빛에 반응하는 구조다.

여기에 단일 파장 레이저를 비추면, 빛과 정확히 맞아떨어지는 지점에서 빛이 차단돼 카메라 영상에 '어두운 선'이 나타난다. 생체분자가 센서 표면에 달라붙으면 이 선의 위치가 미세하게 이동하는데, 연구팀은 이 움직임을 일반 카메라로 촬영·분석하는 것만으로 분자 결합 신호를 정확히 읽어냈다.

 

 

성능도 주목할 만하다. 머리카락 몇 가닥 굵기(300마이크로미터) 면적 안에서 0.1나노미터 수준의 정밀도를 구현했으며, 단백질과 DNA 검출 실험에서는 수백 피코몰(1조분의 1몰)이라는 극미량까지 감지하는 데 성공했다. 특정 유전자 서열을 선별적으로 검출하는 것도 가능함을 입증했다.

노준석 교수는 "메타표면의 높은 광학 감도와 카메라 기반 이미징의 단순성을 결합해 기존 분광기 바이오센서의 한계를 극복했다"면서, "소형화·저비용화가 가능한 현장진단형 플랫폼으로 발전할 수 있을 것"이라고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 과기정통부/한국연구재단 글로벌융합연구지원사업, 과기정통부 대통령과학장학금, 보건복지부의 재원을 통한 한국보건산업진흥원 K-헬스미래추진단의 한국형ARPA-H프로젝트 사업 등의 지원으로 수행됐다.