주요 연구성과
NEW 박성준 교수 연구팀, 인공 소변에서 요오드 검출 바이오센서 개발
- 2022-05-11
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전자공학과 박성준 교수 연구진이 인공 소변에서 선택적으로 요오드를 검출할 수 있는 IGZO 기반의 바이오센서 개발에 성공했다. 소형화 및 뛰어난 휴대성으로 요오드의 현장진단 검사에서도 응용이 가능할 것으로 기대된다.
박성준 교수(사진 왼쪽)와 약학대학 김주희 교수(사진 오른쪽) 공동연구팀은 높은 선택성과 민감도를 기반으로 요오드를 검출할 수 있는 IGZO 기반의 바이오센서 개발에 성공했다고 밝혔다.
관련 연구는 ‘요오드의 정량분석과 신속 검출을 위한 IGZO 기반 전해질 박막트랜지스터(Quantitative and Rapid Detection of Iodide ion via Electrolyte-Gated IGZO Thin-film Transistors)’라는 제목으로 국제 학술지인 <센서스 앤 액츄에이터 비: 케미칼(Sensors and Actuators B: Chemical)> 11월27일자 온라인판에 게재되었다. 이번 연구는 아주대학교 약학과 석박사과정 황철진 학생이 제1저자로, 전자공학과 석사과정 곽태현 학생과 가천대학교 전자공학과 김창현 교수가 공동 저자로 참여했다.
요오드는 내분비계의 필수적인 생물학적 음이온이나, 전 세계 인구의 약 29%는 체내 요오드 농도와 관련된 문제를 호소하고 있다. 임산부에게 요오드가 부족할 경우, 갑상선 기능 저하증으로 이어져 태아의 신경 인지능력 발달에 부정적 영향을 미치며, 요오드를 과다 섭취할 경우에는 자가면역 갑상선염과 같은 갑상선 기능 장애를 유발한다. 따라서 산모와 태아의 건강을 위해서는 적절한 체내 요오드 농도 유지가 필수적이다.
이전까지 소변에서 요오드 농도를 측정하는 방식은 소변 내의 다른 이온 및 특정 물질들의 간섭과 요오드 자체의 농도가 낮아 어려움이 많았다. 이로 인해 플라스마 질량 분석법(ICP-MS), 해상도 질량 분석법(HR-MS) 등의 방법을 사용했으나, 이는 고가의 실험장비가 필요하며 준비부터 분석까지 많은 시간이 소요된다는 단점이 있었다.
이에 연구팀은 뛰어난 내구성을 지녔으며 대량생산에도 용이한 IGZO에 주목했다. IGZO는 인듐(In)·갈륨(Ga)·산화아연(ZnO)으로 구성된 비정질 반도체 물질로, 용액공정을 통해 대면적 및 대량생산이 쉬우며 우수한 전자이동도와 내구성을 지니고 있다. 이에 차세대 투명 디스플레이, 뉴로모픽 및 유해 바이오 물질 검출 센서 개발 등의 연구에 활용되고 있다.
연구팀은 요오드 이온에 의해 IGZO 금속산화물 채널로 구성된 바이오센서의 전류가 즉각적으로 변화하는 현상에 주목했다. 반도체와 전해질 계면에서 요오드의 산화 및 환원 반응에 의한 전류 변화를 분석해 인공 소변에서 요오드의 농도를 성공적으로 정량화한 것. 이를 바탕으로 세계보건기구(WHO)에서 제안한 학동기 아동 소변의 요오드 농도를 기준으로 실시간 및 연속적으로 요오드를 검출할 수 있는 바이오센서를 개발했다.
이번에 개발된 소자는 1마이크로미터(uM)의 요오드 농도까지 분석 가능한 민감도를 지니고 있다. 특히, 최대 0.1초 이하의 반응 속도를 보여주고 있어 기존 검사 장비에 비해 빠르고, 0.5V 이하의 저전압 구동이 가능해 소형화 및 휴대성이 증가했다. 또한 지속적인 산화 및 환원 반응을 거치면서도 요오드에 대한 민감도를 유지할 수 있어 향후 현장진단 검사에서도 응용가능하다.
박성준 교수는 “이번에 개발된 바이오센서는 요오드뿐만 아니라 다양한 생체 물질을 검출할 수 있는 핵심 센서 플랫폼 기술”이라며 “실시간 생체 모니터링 및 생체 물질 탐지 등 다양한 분야에서의 활용이 기대된다”고 전했다. 이어, “관련 연구가 지속된다면 각종 질병의 조기 진단, 위험 물질에 대한 안전성 확보 및 다양한 환경물질에 대한 검출이 가능할 것”이라고 밝혔다.
한편, 이번 연구는 한국전력공사 사외공모 기초연구, 한국연구재단 기초연구사업, 식품의약품안전처 민간식의약촉진지원사업의 지원으로 수행되었다.