한국교통대학교(총장 박준훈) 전기공학전공 이원석 교수와 고려대 전자·기계융합공학과 박진성 교수 공동연구팀은 소장의 융털을 모사한 ‘은 나노 융털 구조체’를 제작하여 고 민감도, 선택도 항노화 비타민 D3 나노 광학 검출센서를 개발했다고 밝혔다.

비타민 D3가 탁월한 항노화 물질이며, 최근 사회적 이슈인 코로나-19 예방 및 코로나-19 환자의 중증도에 큰 영향이 있다는 학계 보고에 주목하였고, 이에 비타민 D3를 민감하고 선택도 높은 검출이 가능한 센서를 개발하는 연구를 진행하였다. 연구팀은 센서를 제작하는 과정에서 인체의 소장 융털 구조가 높은 표면적으로 인하여 영양분 흡수에 탁월한 구조라는 점에서 영감을 받아 생체 모방 구조인 은 나노 융털 구조체를 제작하였고 센서의 표면적을 넓혀 표면증강라만산란 신호를 증폭시켜 초민감도 센서 개발에 활용하였다. 또한, 센서 표면에 압타머를 기능화하여 센서의 민감도 및 선택도를 더욱 향상하였다.

센서에 적용된 기술인 표면증강라만산란 (Surface-enhanced Raman spectroscopy, SERS)는 금속 나노 구조에 존재하는 자유전자가 광원의 에너지에 의해 집단 진동하는 현상을 분석하는 기술로, 비타민 D3의 경우 매우 약한 라만 신호를 가져 현재까지 개발된 SERS 기술로도 검출이 어려운 한계가 있었다. 이에 연구팀은 비타민 D3와 특이적으로 반응하는 라만 지시자인 PTAD-MB를 새롭게 합성하였으며, PTAD-MB와 압타머 간 샌드위치형 결합 기술을 이용하여 국내 최초 비타민 D3를 SERS 기술로 고 민감도, 선택도 측정이 가능한 은 나노 융털 기반 나노광학 압타센서를 개발하는데 성공했다.

개발된 센서는 결핍 농도(<20 ng/mL)와 과잉 농도(>100 ng/mL)에 이르는 넓은 농도 범위에서 비타민 D3를 감지할 수 있었으며, 1 pg/mL 극미량의 비타민 D3 검출 한계를 확인하였다. 또한, 유사한 구조를 가진 비타민 D군 (D2, 25-hydroxy D2) 뿐만 아니라 기타 비타민들(A, C, E)과 비교하였을 때 선택적으로 비타민 D3만 검출할 수 있는 것을 확인하였다.

이번 연구 성과와 관련하여 실험을 진행한 김우창, 박주형 박사과정 연구원은 “비타민 이외에도 다양한 질병 관련 바이오마커 검출이 가능한 센서를 개발하고 싶다. 앞으로 이러한 기술의 상용화를 목표로 관련 연구에 정진하겠다.”라고 당찬 포부를 밝혔다.

한국교통대학교 전기공학전공 이원석 교수는 “이번 연구로 다양한 생체모사 기술이 센서 기술로 활용이 될 수 있으며, 표면증강라만산란 센서 분야에서 센서의 효율을 극대화 시킬수 있는 가능성을 확인하였다.”고 말했다.

이어 고려대학교 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.

이번 연구결과는 화학, 분석 관련 저명한 저널인 Biosensors and Bioelectronics 9월호에 게재될 예정이며, 이원석, 박진성 교수는 교신저자로 참여하였다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단(전략과제, 바이오·의료기술개발사업)과 한국환경산업기술원의 환경기술개발사업 및 범부처전주기의료기기연구개발사업단의 지원으로 수행되었다.