언택트 탐지를 위한 광도파 바이오-반도체융합 광센서를 개발하여 Advanced Materials지 게재 안동준-박동혁-최춘식 교수 연구팀 재료과학분야 상위 1% 저널 게재돼
고려대학교 화공생명공학과 및 KU-KIST융합대학원
안동준 교수, 인하대학교 화학공학과 박동혁 교수(고려대학교 화공생명공학과 연구교수 역임), 중국 연변대
화학과 Chunzhi Cui(최춘식) 교수( 고려대학교 화공생명공학과 박사학위 취득 및 연구교수 역임) 연구팀은 생물학적
타겟 물질에 따라 서로 다른 효율의 광도파(optical waveguide) 현상을 보이는 하이브리드
결정소재기반 다중검출 리모트 바이오센서를 개발했다. 이번 연구 결과는 2020년 9월 재료과학분야 세계최고의 학술지인 Advanced Materials (IF=27.398)에 온라인 게재되었다.
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저자정보: 안동준(교신저자, 고려대), 박동혁(교신저자, 인하대), Chunzhi
Cui 교수(1저자, 연변대), 김석호(1저자, 고려대/인하대), Jingyuan
Huang (고려대)
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논문명:
Bio-Photonic Waveguide of a DNA-Hybrid Semiconductor Prismatic Hexagon
4차 산업혁명 시대가 열고 있는 초연결사회를 구현하기 위해 더욱
다양한 센서신호 데이터의 대량 획득이 필요하며, 특히 언택트 시대의 도래로 원거리에서 작동가능한 형태의
리모트(원거리) 센서의 중요성이 더욱 주목된다. 바이오센서의 주요 검출 타겟인 생체구성물질 DNA, 단백질, 세포 등은 고에너지에 노출되었을 때 타겟의 구조가 파괴되거나 변형되기 쉽기 때문에 직접 에너지를 가하여 신호를
검지하는 검출에는 많은 제약이 따를 수밖에 없다. 이러한 문제점을 극복하고자 그 동안 여러가지 노력들이
시도되었지만, 입사되는 에너지에 시료 자체가 노출되는 한계를 뛰어넘지 못하고 있는 상황이다.
본 연구팀은 DNA의 상보적 결합 여부가 유기반도체 하이브리드 단결정에서
광도파* 효율의 차이를 유발하는 현상을 발견하여, 생체물질인
DNA를 모델타겟으로 삼아 시료에 직접 에너지를 조사하지 않고도 검출할 수 있는 리모트 바이오센서* 개발에 최초로 성공했다. 고에너지 노출 환경에 상대적으로 취약한
DNA를 타겟으로 검출할 때 시료에 가해지는 피해를 최소화하며 효과적으로 검출할 수 있었다.
OLED소자에도 광범위하게 쓰이고 있는 대표적인 유기반도체* 단분자인 Alq3 (tris (8-hydroxyquinoline) aluminium)와 단일가닥의 DNA(single strand DNA)를 융합하여 Alq3 결정에
DNA가 포함되도록 제어된 1차원 광도파 육각기둥 결정을
성장하였으며, 분광학적 분석을 통해 타겟 DNA분자 인식에
따라 발광세기와 광도파 효율의 차이가 있음을 확인하여 그 차이를 정량적으로 도출하였다. 이 결과를 더욱
확장하여, 길게 성장시킨 광도파 결정을 제조하여 양 끝단에 서로 다른 타겟 DNA들을 노출한 후 결정 가운데에 빛을 조사함으로써 동시에 유발되는 광도파 효율의 차이를 타겟 종류에 따라 시각화하고
특이성/비특이성 DNA 검출 구분에 성공하였다.
본 연구 결과는 바이오-반도체 융합물질의 광도파 현상을 이용하여 다중검출
리모트 바이오센서 개념을 입증한 첫 사례이며, 향후
다양한 생화학 타겟 검출에 적용을 확대해 나갈 계획이다. 센서분야 소재부품 원천기술을 확보한 것으로
평가되며 관련기술의 국내외 특허도 확보하고 있다. 본 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단의 지원(중견·도약 연구과제)으로 이루어졌다.
용어설명
* 광도파(optical waveguide) 현상: 유기물로 이루어진
결정이 균일하게 정렬된 형태로 성장하면 결정을 따라 빛이 퍼져 나가는 광도파 현상이 일어남. 퍼져 나가는
효율은 일반적으로 결정성에 비례하며 유기물보다는 무기물에서 다양하게 연구되었음.
* 리모트 센서: 검출하고자 하는
대상에 직접 에너지를 조사하여 신호를 얻는 전통적 센서의 개념에서 발전한 형태로, 에너지를 조사하는 부분과 신호를 획득하는 부분을 이원화(언택트)하여 원거리에서 타겟을 검출할 수 있음.
* 유기반도체: 주로 탄소로 이루어진
유기물로 구성되어 있으며 다양한 원소들을 치환하여 전기적, 광학적 특성을 조절할 수 있음. 유연성과 가벼움 그리고 낮은 원가를 특징으로 디스플레이, 태양전지
등 많은 분야에서 무기물 반도체를 대체할 수 있는 소재로 각광받고 있음.
[그림 1] DNA 분자(single-strand
DNA, ssDNA)가 포함된 1차원 유기반도체 Alq3
육각기둥 결정의 형상과 단면에서의 Alq3(초록색 표기)
및 DNA(빨간색) 분자들 분포(상). DNA가 육각기둥을 둘러싸고 있음이 관측됨. DNA의 이중나선결합(double-strand DNA, dsDNA) 여부가 1차원 육각기둥
결정에서 광도파 효율의 차이를 유발하는 현상을 발견함(하).
[그림 2] 길게 성장시킨 1차원 광도파 육각기둥 결정의 중앙에 레이저를 조사하고 양 끝단에서 각기 다른 종류의 타겟 DNA들을 동시 검출하는 기술의 모식도(왼쪽). 양 끝의 신호 획득 부분에서 측정된 형광 이미지(초록색)와 분광학적 스펙트럼을 분석하여 상보적으로 결합(complementary tDNA)하는 시료에서 300% 높은 광도파 효율을 획득함
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