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[분석장비 이야기] 휴대용 바이오센서를 이용한 패혈증 감지
오피니언 분석장비 탐험가 (2020-02-21)

현재 패혈증을 검사하는데 최대 72시간이 걸리 수도 있습니다. 에콜폴리 테크닉 페데랄 드 로잔(EPFL)의 바이오 나노포토닉스 시스템 연구소(BIOS) 연구원들은 패혈증 진단시간을 몇 분으로 줄이는 광학 바이오 센서를 개발하였습니다.  휴대용 바이오센서는 나노입자 강화 디지털 플라즈몬 이미지(nanoparticle-enhanced digital plasmonic imaging)을 기반으로 합니다.

이 장치는 수십억 개의 나노 홀 어레이를 포함하는 얇은 금 시트로 구성된 광학메타표면(meta surface)를 사용하며, 메타표면는 정밀한 바이오 마커 검출을 위해 나노 홀 주위에 빛을 집중시키는 역할을 합니다.

 휴대용 바이오센서를 이용한 패혈증 감지
사진 1. 몇 분만에 패혈증의 바이오 마커를 탐지하는 휴대용 장치, 출처: photonics.com

측정을 하기 위해, 바이오 마커를 붙들고 있게 설계된 나노입자용액을 시료에 첨가하고, 이 혼합물을 메타표면 상에 분배합니다. Alexander Belushkin 연구원은 “포획된 바이오 마커를 포함하는 모든 나노 입자는 나노 홀의 항체에 의해 빠르게 갇히게 된다.” 고 합니다.

LED 빛을 메타표면 에 비추면, 바이오 마커를 함유한 나노입자들은 천공된 메타표면을 통과하는 빛은 부분적으로 차단된다고 합니다. Wisconsin-Madison 대학의 조교수이고, EPFL 연구원 Filiz Yesilkoy는 “이러한 나노 스케일 상호작용은 CMOS 카메라로 이미지화되고 실시간으로 정밀 계산됩니다. CMOS 카메라로 측정된 이미지를 사용하여 질병의 바이오 마커가 시료에 존재하는지 여부와 존재하면 얼마나 포함됬는지(농도) 알 수 있습니다.
 

 휴대용 바이오센서를 이용한 패혈증 감지

사진 2. Alexader Belushkin 연구원과 Hatice Altug BIOS 책임자, 출처:photonics.com

바이오 센서는 플라즈 모닉스(Plasmonics)를 사용하기 때문에 작고 저렴하게 만들수 있으며, 기존의 금 표준 실험(gold-standard laboratory method)방법과 근접한 정확도를 달성 할 수 있다고 연구원들은 말합니다. 이 장치는 대형 바이오 마커 패널을 스크리닝하는 데 사용될 수 있으며 여러 질병의 신속한 진단에 적합 할 수 있습니다.

이 장치는 현재 스페인의 Vall d' Hebron University Hospital 에 설치되어, 패혈증 과 비 감염성 전신 염증 반응 증후군(SIRS)이 있는 환자들을 대상으로 테스트 중 입니다. 작고 저렴한 장치는 현장에서 빠르고 정확하게 패혈증을 진단 할 수 있는 유망한 해결책으로, 구급차와 같은 곳에서도 사용할 수 있을 것으로 기대합니다. 

자료출처:
Bio-photonics,
https://www.photonics.com/Articles/Portable_Biosensor_Uses_Light_at_Nanoscale_to/a65499
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.201906108

[분석탐험가 메모 노트]

-패혈증이란?

세균이 혈액 속에 들어가 번식하면서 그 생산한 독소에 의해 중독 증세를 나타내거나, 전신에 감염증을 일으키는 병을 말한다. 건강한 사람은 균이 침입했다 하더라도 장기 등이 활동으로 제거되어 버리지만, 암, 폐렴, 몸이 쇠약한 경우에는 제거기능이 충분히 발휘하지 못해 발병하게 된다.

최근 방영된 드라마 ‘사랑의 불시착’에 출연한 윤세리(손예진)도 수술을 받고 나서 패혈증 증상으로 사경을 헤매다가 극적으로 살아났다.

메타표면(meta surface)란?

나노 사이즈의 구조체(meta-atom)들을 배열하여 만든 작고 얇은 메타물질 구조체를 말한다. 이를 이용해 빛의 투과 정도와 방향, 성질까지 조절할 수 있다. 

플라즈모닉스(Plasmonics)란?

표면 플라즈몬은 일반적으로 음의 유전함수를 갖는 금속과 양의 유전함수를 갖는 유전체의 계면을 따라 전파하는 전자들의 진동현상을 일컫는다. 금속과 유전체간 계면에서 발생하는 표면플라즈몬 폴라리톤(surface plasmon polariton), 금속 나노입자에서 발생하는 국부적으로 발생하는 국소 표면 플라즈몬(localized surface plasmon)을 포함하는 플라즈모닉스(plsmonics)에 대한 연구는 매우 빠르게 진화하고 있으면 물리학, 공학, 생물학, 화학 등 다양한 분야에서 활발히 연구되고 있다.

광학 실험장비는 어떻게 꾸몄을까?
 

 휴대용 바이오센서를 이용한 패혈증 감지

제시된 사진을 근거로 예상해본다.
전반적으로 볼 때, 광학소자와 기구를 제조 판매하는 thorlab(www.thorlabs.com)사 제품으로 꾸민 것으로 보인다.

LED는 thorlabs 사의 Mounted LED을 사용했다.

LED콘트롤러는 T-cube LED Driver를 사용했다.

LED의 위치 XY축 정렬을 위해서는 마이크로 XY축 이동 조절자를 사용했다.

CMOS 카메라의 Z축 초점거리 조절을 위해서는 Z축 이동 조절자를 사용했다. 

마지막으로 각 구성품의 합체는 cage system 방식으로 하였다.

 휴대용 바이오센서를 이용한 패혈증 감지

메타표면과 플라즈모닉스 기술을 습득한다면 광학 실험장비를 꾸미는 것은 결코 어렵지 않다.

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분석장비 탐험가 (필명) (㈜신코 연구개발부, 책임연구원)
분석장비업계에 종사한지 15년이 된 평범한 직장인입니다.  우연히 사내 교육담당을 하면서 글쓰기에 호감을 갖게 되었습니다. 그리고  글과 함께 그동안 차갑고 무겁게만 느껴진 ‘분석장비’을 따스하고 가볍게 바라보려고 합니다.
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