바이오센서
바이오센서(biosensor)는 특정한 물질이나 환경 조건을 검출 또는 정량하기 위해 생물인식 요소(biorecognition element)와 신호 변환기(transducer)가 같이 포함된 장치이다. 바이오센서는 효소와 항체 같은 생물학적 물질과 흔히 복잡한 혼합물 중에서 검출하고자 하는 분자 사이의 특별한 반응을 이용한다.
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목차
개요[편집]
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.
국제 순수 및 응용화학 연맹(International union of Pure and Applied Chemistry; IUPAC)은 바이오센서를 '전달 요소와 공간적으로 직접 접촉하는 생물학적 인식 요소(생화학적 수용체)를 사용하여 특정한 정량적 또는 반정량적 분석 정보를 제공할 수 있는 독립적인 통합 장치'로 규정하고 있다. 일반적인 정의는 피분석물(analyte)을 인식하고 그 후 변환기로 검출되는 신호를 활성화시키기 위해 생물학적 거대분자를 이용하는 분석장치이다. 그러나 실제로는 변환 요소가 생물인식 요소와 공간적으로 접촉하는 통합 장치만을 가리키지는 않으며 생물인식 요소만을 의미할 수도 있다.
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.
원리 및 분석방법[편집]
바이오센서는 바이오수용체(Bio-receptor)라는 분석 대상물과 단백질, 항원과 항체 등 상호작용을 기반으로 하며, 효과를 나타내는 신호 변환기(Transducer)을 통해 측정하고자 하는 물질의 정량이나 정성을 분석하는 원리다.
분석 방법은 직접적 또는 간접적인데 직접적 방법에서는 생물인식 요소에 결합한 피분석물의 질량 변화, 굴절률이나 임피던스(impedence)의 변화, pH 등을 직접적으로 검출한다. 간접적 방법에서는 피분석물과 생물수용체의 결합을 검출하기 위해 생물인식 결합 이외의 추가적인 반응이 일어나야 한다. 경쟁적 간접적 방법에서는 피분석물과 어떤 방식으로 표지된 경쟁적 분자가 제한된 수의 생물인식 결합 부위에 대해 경쟁한다. 비경쟁적 간접적 방법에서는 표지된 제2의 생물인식 요소가 피분석물 시료에 추가되어 피분석물이 고정된 생물인식 요소에 결합하면 제2의 생물인식 요소가 또한 피분석물에 결합한다. 간접적 방법에서 표지는 시각적, 전기화학적 또는 질량-연관된 종류가 될 수 있다. 직접적인 방법과 비경쟁적 간접적 방법에서 신호는 피분석물 농도에 직접적으로 비례하지만 경쟁적 간접적 방법에서는 피분석물 농도에 역비례한다1). 흔히 바이오센서 분석은 민감도를 증가시키기 위해 증폭 방법을 이용하는데 피분석물 분자 자체를 증폭시키거나[예; DNA 서열의 중합효소 연쇄반응(PCR)] 생물인식 반응이 증폭된다(예; ELISA 면역분석).
장단점[편집]
바이오센서의 장점은 다음과 같다. 실시간 온라인 측정, 복잡한 시료에 적용 가능, 매우 특이적인 반응, 경우에 따라 매우 높은 민감성, 저비용과 신속성, 일부 운반성. 그러나 생물물질을 사용하기 때문에 한계가 있는데 생물물질의 정해진 수명, 다른 물질에 의한 불활성화, 열 멸균이 불가능하며 멸균 상태 조건에서는 적용할 수 없는 단점이 있다.
바이오센서시스템[편집]
바이오센서는 일반적으로 바이오 탐지 요소, 바이오변환기 요소와 증폭기, 가공기계, 화면을 포함한 전자 시스템으로 구성된다. 변환기와 전자공학은 CMOS 기반 마이크로센서 시스템과 결합될 수 있다. 흔히 바이오수용기로 불리는 탐지 요소는 분석물질과 상호작용하기 위해 유기체나 생물학적 요소를 본 따서 만든 수용기의 바이오분자를 사용한다. 이 상호작용은 샘플에서 분석물질의 부분적인 측정 가능한 신호를 발생시키는 바이오변환기에 의해 이루어진다. 바이오센서의 일반적인 디자인의 목적은 샘플이 구해진 곳에서 빠르고 편리한 테스트를 가능하게 하기 위함이다.
바이오수용체[편집]
바이오센서에서 바이오수용체(bioreceptor)는 특정 분석 대상물과 상호작용하도록 설계되는데, 변환기(transducer)에 의해 측정 가능한 효과를 생성하게 된다. 바이오센서의 핵심 요구사항은 화학적 또는 생물학적 성분의 매트릭스중에서 분석물에 대한 높은 선택성이라 말할 수 있다. 바이오 센서는 이러한 높은 선택성에 따라 분류될 수 있는데, 항원/항체, 효소, 핵산/DNA, 세포구조 등에서의 선택성으로 바이오수용체를 분류할 수 있다.
항원 / 항체 상호 작용[편집]
면역 센서 (Immunosensor)는 항원 또는 특정물질의 항체의 특이결합을 사용하게 된다. 항원/항체 상호작용의 특이성은 열쇠와 자물쇠의 올바른 적합성과 같은 성질을 이용하게 된다. 즉, 항체는 오직 항원의 특이한 구조에만 반응하게 되는 원리를 사용하게 된다. 추적하려는 물질과의 결합현상이 일어나면 물리화학적인 변화를 초래하게 되는데, 예를 들면, 형광물질, 효소, 방사성동위원소등과 결합하면 신호를 발생하게 된다. 그러나 항체를 센서로 사용하는 것은 몇가지의 제한조건이 따르게 된다. 1. 항체의 결합능력은 pH와 온도등의 분석물질의 조건에 강하게 의존한다. 2. 항원/항체 반응은 일반적으로 불가역적인 반응이다. 그러나 이러한 항원/항체 결합은 무질서경향(chaotropic) 물질이나, 유기용매, 또는 초음파(ultrasonic) 노출에 의해 분리될 수 있다.
효소의 상호 작용[편집]
효소의 특정 결합력과 촉매능력은 효소를 인기 있는 bioreceptor로 사용되게 한다. 다음의 여러 가지 메커니즘이 분석대상물을 인식하게 하는 능력이 된다. 1) 효소는 분석대상물을 센서가 감지할 수 있는 물질로 변환시켜준다. 2) 분석대상물에 의해 효소기능이 방해되거나 활성화되는 메커니즘으로 인식한다. 3) 분석대상물과의 상호작용에 의해 효소의 특성이 변하는 메커니즘을 측정한다. 바이오센서로서 효소의 일반적인 사용의 주된 이유는 다음과 같다. 1) 많은 수의 반응에 대한 촉매기능, 2) 분석대상물(촉매활동의 기질, 생성물, 방해물, 변형물 등)의 그룹을 감지하는 능력 3) 분석대상물의 인식에 여러 가지 형태의 형질도입방법을 사용할 수 있는 능력 등이다. 잘 알려져 있는 것처럼, 효소는 반응과정에서 소모되지 않기 때문에 바이오센서로 계속 사용될 수 있게 된다. 그러나 센서의 수명은 효소의 안정성에 제한을 받게 되는 단점이 있다.
핵산의 상호 작용[편집]
핵산 상호 작용을 이용하는 바이오 센서는 genosensors로 지칭될 수 있다. T 인식 프로세스는 상보의 원리에 기초한 염기쌍(DNA의 티민과 시토신 : 아데닌과 구아닌)을 사용하게 된다. 표적으로서의 핵산 서열이 알려져 있는 경우, 상보적인 서열은 합성되고, 표식을 한 후에 센서에 고정 될 수 있다. 혼성화프로브(hybridization probe)는 광 신호를 생성하는 형태로 표적서열과 염기쌍을 형성할 수 있는데, 이러한 유형의 센서가 사용되는 이유는 빛을 검출하는 방법으로 적용되기 때문이다.
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.
세포[편집]
세포들은 주변 환경에 민감하기 때문에 세포가 종종 bioreceptor로 사용된다. 세포들은 모든 종류의 자극에 응답 할 수 있다. 세포들은 표면에 쉽게 부착되어서 고정 될 수 있는 경향이 있다. 세포들은 오랜 기간 동안 활성 상태를 유지할 수 있고, 세포들을 다시 사용할 수 있다. 세포들은 일반적으로 스트레스 상태, 독성, 유기 유도체 등의 변수를 감지하는 데 사용된다. 세포들은 또한 약물의 치료효과를 모니터링하는데 사용될 수 있다. 한 프로그램에서는 세포들을 주요 수중 오염물질인 제초제의 존재를 결정하는 센서로 사용한 것을 보고하기도 한다.
신호 측정 방법에 따른 바이오센서의 분류[편집]
광학 방식[편집]
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.
전기 화학 방식[편집]
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 방식[편집]
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.
활용[편집]
바이오센서의 응용 분야는 크게 제약, 의료, 환경, 식품, 군사 연구 등으로 나눌 수 있다. 응용 분야에 따라 조금씩 특징이 다른데, 수요가 가장 많은 의료 분야는 향후 바이오센서 산업의 성장을 견인할 주요 역할을 할 것으로 기대된다.
향후 의료 분야에서는 유전이나 병균에 의한 질병을 분자 수준에서 정확히 진단하는 '분자진단 기술(Molecular Diagnosis)'이 주목받을 전망이다. 분자진단에 활용되는 대표적인 기술은 PCR(Polymerase Chain Reaction) 기술인데, 이는 상당히 고가의 기술이며 부피도 커서 현장 진단에는 어울리지 않는다. 그 대체재로 주목받고 있는 것이 바로 바이오칩(Biochip)이다.
바이오칩의 종류는 대표적으로 단백질 칩, DNA 칩, 랩온어칩(Lab-on-a-chip), 인간의 인체를 모델링한 바디칩(Body-on-a-chip) 등이 있다. 바이오칩은 점차 스마트 바이오칩(Smart Biochip) 형태로 진화할 전망이다.
바이오칩을 활용한 분자진단 기술의 발달은 산업에 미치는 파급력이 대단할 것으로 보인다. 특히 진단과 치료를 현장에서 동시에 수행할 수 있어 미래에는 진단 치료학(Theranostics)이 혁신적인 질병 관리 기술로 자리 잡을 전망이다.
동영상[편집]
참고자료[편집]
- 〈바이오센서〉, 《위키백과》
- 〈바이오센서〉, 《화학백과》
- 〈바이오센서〉, 《미생물학백과》
- 정민구 기자, 〈바이오 산업 바이오센서 시장 현황 및 사례 ①〉, 《바이오타임즈》, 2021-07-23
같이 보기[편집]
