바이오센서

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바이오센서는 생물학적 요소로부터 발생한 분석 물질 또는 분석 물질과 생물학적 요소의 상호작용을 물리적 그리고 화학적 신호 변환기를 통해 검출하는 분석 장치를 일컫는다. 바이오센서는 분석 물질의 검출을 위한 바이오 수용체(bio-receptor) 부분, 분석 물질-바이오 수용체 간의 상호 작용을 물리적 및 화학적 신호로 검출하는 센서(sensor) 부분, 얻어낸 신호를 전기적 신호로 변환 및 증폭하는 변환기(transducer) 부분으로 크게 볼 수 있다. 사용하는 바이오 수용체로는 조직(tissue), 세포(cell), 효소(enzyme), 항체(antibody), 핵산(nucleic acid) 등이 있고, 생물 공학(biological engineering) 기술을 이용하여 기존 생물학적 요소를 모방(bio-mimetic)하거나 구조와 기능을 개선하여 사용하기도 한다.

센서에서 활용하는 검출 방식으로는 여러 물리^.화학적 기술을 이용하며 광학(optics), 전기 화학(electrochemistry), 압전성(piezoelectricity) 등이 있다. 최근에는 목적성에 따라 저렴한 가격, 휴대성, 초소형, 높은 신호-대-잡음비, 넓은 검출 범위, 낮은 검출 한계, 다중 검출 기능 등을 갖춘 여러 바이오센서의 개발이 활발히 진행되고 있다. 아래 사진은 대표적인 바이오센서 중 하나인 혈당 센서를 보여주고 있다.

혈당 센서()

바이오 수용체는 분석 물질과 상호 작용하도록 설계되어 있으며, 분석 물질이 존재하면 센서에서 이를 검출하고 최종적으로 이 신호는 변환기에서 처리된다. 바이오 수용체는 다른 매트릭스 성분에는 반응하지 않고, 분석 물질에만 반응하는 높은 선택성을 가져야 한다. 상호 작용의 종류에 따라 바이오 수용체를 분류할 수 있으며 그중 일부는 다음과 같다.

면역센서(immuno-sensor)는 항원(antibody)과 항체(antigen) 사이의 특이적 상호 작용을 이용한다. 이 특이성은 독특한 항원의 구조에 해당 항체만이 결합할 수 있어서 가능하며, 그 결과 결합력을 나타내는 결합 상수(binding constant)가 10⁸ 이상으로 매우 크고, 결합이 비가역성을 가지고 있다. 검출 방식에 따라 상호 작용을 검출하기 위해 항원에 여러 종류의 표지(label)를 붙여서 사용한다.

효소를 바이오센서에 활용하여 분석 물질을 검출하는 방식은 다음과 같이 여러 가지가 있다. 먼저 효소가 분석 물질을 센서가 감지할 수 있는 물질로 변환시키는 방식이 있다. 이와 관련된 예로는 혈당 센서에서 널리 활용되는 방식으로 글루코스를 선택적으로 산화시키는 효소인 글루코스 옥시다아제(glucose oxidase)가 있으며 아래와 같이 상호 작용의 결과 과산화 수소(H₂O₂)를 생성한다. 전극에서는 과산화 수소를 산화시키는 전기 화학 전류를 측정함으로써 혈액 내에 있는 글루코스의 정량 분석을 수행한다. 다른 방식으로는 분석 물질에 의해 효소의 기능이 활성화되거나 저해되는 것을 이용하여 분석 물질을 측정하는 방법이 있다.

글루코스 옥시다아제 기반의 혈당 센서 원리()

이 과정에서 효소는 다른 매트릭스와는 상호작용을 하지 않아서 신호를 내지 않기 때문에 매우 높은 선택성이 있다. 더불어 한 개의 효소가 많은 생성물을 만들어 낼 수 있고 계속 사용할 수 있기 때문에, 효소는 촉매의 성질이 있다. 이런 두 가지 특성으로 인해서 효소는 바이오 수용체로 널리 활용되고 있다.

분석 물질이 핵산인 경우 핵산 간의 상보적 상호작용을 이용하여 분석 물질을 검출할 수 있다. 예를 들어 DNA의 경우 아데닌(adenine), 구아닌(guanine), 사이토신(C, cytosine), 타이민(T, thymine)으로 구성되어 있고, 아데닌-타이민, 구아닌-사이토신 간에는 상보적 결합을 형성한다. 그러므로 분석 DNA 서열이 알려진 경우 상보적인 결합을 할 수 있는 DNA 서열과 표지를 함께 가지고 있는 혼성화 프로브(hybridization probe) DNA를 이용하여 해당 DNA를 검출할 수 있다.

발색(흡광), 형광, 화학 발광, 표면 플라즈몬 공명(surface plasmon resonance, SPR) 등의 광학적 방법은 바이오 센서에서 널리 활용되고 있다. 발색 기반의 센서는 임신 진단과 같은 빠른 검출이 필요한 센서 키트에서 주로 사용되고 있다. 형광과 화학 발광을 위해서는 해당 기술의 표지가 붙어 있는 바이오 수용체를 활용해야 한다. SPR의 경우 비표지 방식으로 다른 광학 기술에 비해 간단하나 검출 한계 측면에서 다른 방법에 비해 약점이 있다. SPR를 제외한 나머지 광학 방법은 다른 방식과 비교하였을 때 매우 낮은 검출 한계를 보인다.

이 방식은 분석 물질과 바이오 수용체의 상호 작용을 전위, 전류, 전하량, 전도도, 임피던스와 같은 전기 화학 신호로 측정한다. 해당 방법은 표지와 비표지 방식이 모두 가능하며, 검출 신호 또한 전기 신호이므로 광학적 방법보다 신호 변환 과정이 용이하다. 더불어 광학적 방법보다 광원이 필요하지 않기 때문에 휴대성 및 소형화 측면에서 장점이 있다. 최근에는 전기 화학 발광(electro-chemiluminescence, ECL) 기반의 바이오센서 또한 활발히 개발되고 있다.

압전 방식은 질량 변화를 직접 측정하는 방식에 해당하며, 석영 미세 저울(quartz crystal microbalance, QCM)이 대표적으로 알려져 있다. QCM은 비표지 방식으로 바이오 수용체와의 상호 작용을 통한 분석 물질의 고정을 직접 질량으로 측정할 수 있는 장점이 있다. 아래는 대표적인 QCM 전극의 구조이다.

석영 미세 저울()

질병, 임상, 환경 등 여러 분야에서 진일보한 분석 시스템이 요구되고 있다. 이를 위해서는 먼저 높은 선택성을 갖춘 새로운 바이오 수용체의 개발이 선행되어야 한다. 그리고 극미량의 분석 물질에 대해 실시간 분석, 소형화, 편리성, 다중 분석, 고감도 검출 등을 갖춘 새로운 바이오센서의 개발이 필수적이다. 대표적으로 많은 연구가 수행 중인 랩온어칩(lab-on-a-chip)의 개발이 미래 바이오센서의 영역이라 할 수 있다.

랩온어칩()