고려대학교 박진성·이원석 교수 공동연구팀, 항노화 비타민 D3 나노 광학 검출센서 개발

 ▲시계 방향으로 고려대학교 세종캠퍼스 전자·기계융합공학과 김우창 박사과정, 박주형 박사과정, 한국교통대학교 전자·전기공학부 전기공학전공 이원석 교수, 고려대학교 세종캠퍼스 전자·기계융합공학과 박진성 교수 / 사진= 고려대학교 제공

국내 대학 공동연구팀이 소장의 융털을 모사 기술을 응용한 항노화 비타민 D3 나노 광학 검출 센서를 개발하는 데 성공했다.

고려대학교 세종캠퍼스 전자·기계융합공학과 박진성 교수, 한국교통대학교 전자·전기공학부 이원석 교수 공동연구팀은 '은 나노 융털 구조체'를 제작해 국내 최초로 표면증강라만(이하 SERS) 기반 고민감도, 고선택도 항노화 비타민 D3 검출용 샌드위치 타입 압타 센서를 개발한 성과를 낸 것이다.

31일 학계에 따르면 표면증강라만(SERS): 금속 나노구조에 존재하는 자유전자가 광원의 에너지에 의해 집단 진동하는 현상을 이용한 분석기술이다. 이러한 집단 진동을 플라즈몬이라고 하며 그 결과, 타겟 분자의 고유 진동수에서 신호가 증폭되고 단일 분자까지 민감한 검출이 가능하다.

이번 연구결과는 바이오센서 분야 최고 학술지인 Biosensors and Bioelectronics (Impact factor: 10.257. 분야 상위 1위)에 2021년 5월 14일 온라인 게재됐다. (논문명: Bio-inspired Ag nanovilli-based sandwich-type SERS aptasensor for ultrasensitive and selective detection of 25-hydroxy vitamin D3)

공동연구팀은 △25-하이드록시 비타민 D3(이하 비타민 D3) 가 탁월한 항노화 물질이라는 점 △코로나19 예방 및 코로나19 환자의 중증도에 큰 영향이 있다는 학계 보고가 있다는 점 등에 주목하면서 비타민 D3를 민감하고 선택도 높은 검출이 가능한 센서를 개발하는 연구를 진행해왔다.
 

 

센서를 제작하는 과정에서 인체의 소장 융털 구조가 영양분 흡수에 탁월한 구조라는 점에서 영감을 받아 생체 모방 구조인 은 나노 융털 구조체를 제작해 센서의 표면적을 넓혀 SERS 신호를 증폭시켰고, 이를 초민감도 센서 개발에 활용했다. 센서 표면에 압타머를 기능화해 센서의 민감도와 선택도도 더욱 향상시켰다. 센서에 적용된 기술인 SERS는 나노 구조로 증폭된 검출 물질의 라만 신호를 분석하는 방식이다.

비타민 D3의 경우 매우 약한 라만 신호를 가지고 있어 현재까지 개발된 SERS 기술로도 검출이 어려운 한계가 있었다. 이에 공동연구팀은 비타민 D3와 특이적으로 반응하는 라만 지시자인 PTAD-MB를 새롭게 합성했다.

이는 PTAD-MB와 압타머 간의 샌드위치형 결합 기술로서 국내 최초로 비타민 D3를 SERS 기술로 고민감도, 고선택도 측정이 가능한 은 나노 융털 기발 샌드위치형 압타센서를 개발한 것이다.

개발된 센서는 결핍 농도(20 ng/mL)와 과잉 농도(>100 ng/mL)에 이르는 넓은 범위에서의 비타민 D3를 감지할 수 있었으며 1pg/mL 극미량의 비타민 D3 검출도 확인해냈다. 유사한 구조를 가진 비타민 D군 뿐만 아니라 기타 비타민들(A, C, E)과 비교하였을 때, 선택적으로 비타민 D3만 검출할 수 있었다.

박진성 교수는 "이 연구는 비타민 D3뿐만 아니라, 다양한 비타민 검출에 응용이 가능한 원천 기술이며, 향후 헬스케어를 위한 스마트센서 등에 활용될 수 있을 것"이라고 밝혔다.

연구 성과와 관련해 실험을 진행한 김우창 박사과정 연구원은 "비타민 이외에도 다양한 질병 관련 바이오마커 검출이 가능한 센서를 개발하고 싶다"라며 "앞으로 이러한 기술의 상용화를 목표로 관련 연구에 정진하겠다"라고 밝혔다.

한편, 공동연구는 한국연구재단(전략과제, 바이오·의료기술개발사업)과 한국환경산업기술원의 환경기술개발사업 및 범부처전주기의료기기연구개발사업단의 지원으로 진행됐다.