광학 바이오센서란?
바이오센서는 생체 인식 요소를 기반으로 한 감지기로 정의할 수 있습니다. 일반적으로 바이오센서는 다음과 같이 분류됩니다.
- 광학식 센서: 빛을 이용한 방식으로 높은 정확성과 실시간 측정이 가능
- 반도체식 센서: 외부 자극에 따른 전기적 특성 변화를 이용
- 화학식 센서: 화학적 변화를 감지하여 분석
이 중 광학식 바이오센서는 높은 정확도와 실시간 측정 기능으로 주목받고 있습니다. 이번 연구에서는 양극산화 알루미늄(AAO) 기반 패브리-페로 간섭 및 LSPR 특성을 이용한 광학 바이오센서를 제작하여 CRP(C-reactive protein, C-반응성 단백질) 측정을 수행했습니다.
연구 배경: AAO란 무엇인가?
**양극산화 알루미늄(AAO, Anodic Aluminum Oxide)**은 알루미늄을 양극 산화시키면 형성되는 나노미터 크기의 규칙적인 구멍을 가진 구조물입니다.
AAO 제작 원리
알루미늄 기판에 **양극(+)**을 인가하고 상대 전극에 **음극(-)**을 인가하면, 양이온을 띤 알루미늄 이온(Al³⁺)이 용액으로 용출됩니다. 이후, 용액 내의 산소 및 수산화 이온이 알루미늄과 반응하여 알루미나(Al₂O₃)를 형성하게 됩니다.
패브리-페로 간섭과 LSPR 개념
1) 패브리-페로 간섭
패브리-페로 간섭계는 반사율이 높은 거울을 평행하게 배치한 뒤 빛을 입사시켜 다중 반사와 간섭을 유도하는 원리입니다. 이때, 특정 파장의 빛이 간섭 효과를 통해 증강 또는 소멸되는 특성을 활용하여 바이오센서로 응용할 수 있습니다.
2) LSPR (Localized Surface Plasmon Resonance)
LSPR은 나노 입자의 표면에서 전자가 국소적으로 진동하면서 발생하는 현상으로, 다음과 같은 특징이 있습니다.
- 전기장의 강도가 증대됨
- 나노 입자의 크기 및 형태에 따라 특정 파장에서 강한 흡수 또는 산란이 발생
- 분자 수준의 작은 변화도 감지 가능 (높은 감도 제공)
실험 방법: AAO 기반 광학 바이오센서 제작
1) AAO 제작 과정
- 알루미늄 표면 연마 (Polishing): 자연 산화막 제거
- 1차 양극산화 (Anodizing): 초기 알루미늄 산화막 형성
- 산화막 제거 (Strip Solution 처리): 균일한 나노구조 확보
- 2차 양극산화 (Anodizing): 1차 대비 3배 이상 균일한 나노구조 생성
2) 감지막 제작 및 항체 고정
- E-beam 증착: AAO 표면에 니켈, 금 증착
- SAM(Self-Assembled Monolayer) 형성: 항체 고정 전 표면 개질
- EDC/NHS 반응: 항체 고정 (아민기와 결합 유도)
- 굴절률 변화 측정: 항원 반응 후 분석
- GNP Labeled Antibody 추가: 신호 증폭 및 감도 향상
측정 시스템 구성
Y형 광섬유 다발의 한쪽은 할로겐 램프, 반대쪽은 분광 분석기와 연결됩니다. 챔버 내부의 광섬유 프로브를 통해 빛을 조사하면, 반사된 빛이 광섬유 프로브를 통해 검출됩니다. 이후, 컴퓨터의 분석 프로그램을 이용하여 데이터를 수집합니다.
실험 결과: CRP 농도 변화에 따른 간섭파장 변화
CRP를 이용하여 센서의 감도 및 신뢰성을 확인하였습니다. 실험 결과,
- 항체(Ab)만을 도입한 상태에서 측정된 파장
- CRP 항원(Ag)과의 반응 후 파장 변화 확인
- GNP Labeled Antibody 추가 후 더 큰 파장 변화 확인
이를 통해, 센서가 CRP의 농도에 따라 간섭 파장이 변화하는 것을 검출할 수 있음을 확인하였습니다.
결론 및 향후 연구 방향
본 연구에서는 AAO 기반 광학 바이오센서를 활용하여 CRP를 측정하는 방법을 제안하였습니다. 실험 결과, 패브리-페로 간섭 및 LSPR을 결합한 센서의 높은 감도를 확인할 수 있었습니다. 향후 연구에서는 다음을 추가적으로 고려할 예정입니다.
- 다른 바이오마커 적용 가능성 검토
- 센서의 신뢰성 및 반복 실험 수행
- 임상 환경에서의 활용 가능성 평가
이번 연구는 향후 의료 진단 분야에서 정밀하고 신속한 바이오센서 개발에 기여할 것으로 기대됩니다.