송영민 GIST 교수팀이 빠르고 정확한 코로나19 진단이 가능한 바이오 컬러센서 플랫폼을 개발했다. 사진은 송영민 교수 연구팀의 (왼쪽부터) 고주환 박사과정 연구원, 유영진 박사후 연구원, 강지원 석사과정 연구원이 플랫폼과 관련해 토의하는 모습이다. 광주과학기술원 제공



국내 연구진이 색 변화로 신종 코로나바이러스 감염증(COVID-19·코로나19) 여부를 빠르게 감지하는 진단 기술을 개발했다. 감염 여부는 물론 감염 단계 예측도 가능해 중합효소연쇄반응(PCR·유전자증폭) 검사의 복잡성과 신속진단키트의 낮은 정확도를 보완할 수 있을 것으로 기대된다.

송영민 광주과학기술원(GIST) 전기전자컴퓨터공학부 교수와 김대형 서울대 화학생물공학부 교수는 신속하고 정확하게 바이러스를 관찰하고 분석할 수 있는 바이오 컬러센서 플랫폼을 개발했다고 7일 밝혔다. 이 플랫폼은 환자의 감염 정도를 현미경 이미지의 색상 분석을 통해 농도별로 파악이 가능하다. 또 구조가 단순해서 반도체 공정 장비를 이용해 키트 형태로 제작할 수 있다. 이를 통해 의료진뿐만 아니라 일반인도 색상 변화를 통해 감염상태를 쉽고 직관적으로 판별할 수 있다.

기존에 바이러스를 신속하게 검사하는 장비는 PCR이나 바이러스를 탐지할 표지를 부착하는 과정을 생략했다. 대신 바이러스가 부착됐을 때 나타나는 전기화학적 신호의 변화를 바이러스 여부를 파악한다. 하지만 이를 확인하기 위해 복잡한 전극 구조와 별도의 분석 장비가 필요하다는 단점이 있다.

비교적 직관적인 방식의 광학적 방식들도 복잡한 나노 구조를 가져 제작이 어렵고, 광학적 변화가 미세해 정확한 감지를 위한 별도의 광학 분석 장비가 필요하다. 최근 단순한 필름 형태의 광학 구조도 개발됐으나, 대부분 빛 굴절률이 높은 재료를 사용해서 바이러스 등 굴절률이 낮은 바이오 입자를 감지하기 어려웠다.

바이러스를 현미경으로 관찰하기 어려운 이유는 크기가 100나노미터(nm·1나노미터는 10억분의 1m) 정도로 매우 작고, 빛 굴절률이 낮기 때문이다. 현미경으로 물체를 관찰할 때 보통 슬라이드글라스라는 투명한 유리판 위에 놓고 빛을 쪼여 보는데, 바이러스의 굴절률이 슬라이드글라스의 굴절률과 비슷한 1.5인 탓에 잘 보이지 않는다.

연구팀은 가이아 투르누아(Gires Tournois)라는 공진구조를 통해 이 같은 문제를 해결했다. 가장 밑에 반사율이 높은 금속판을 놓고 그 위에 자유롭게 광학특성을 변조할 수 있는 다공성 복소굴절률 층과 굴절률이 낮은 또 한 개의 층을 차례로 쌓았다. 그 결과 공진구조 위에 1.5의 굴절률을 갖는 물질이 놓여졌을 때 색의 차이가 분명하게 드러났다. 가령 연구팀이 바이러스를 공진구조 위에 올려놓고 관찰한 결과, 전체적으로 푸르스름한 배경에 바이러스는 자주색으로 나타났다. 또 현미경 스캐닝을 통한 색도 분석으로 감지 영역 내에서 바이러스 입자의 분포와 밀도도 알아낼 수 있다. 송 교수는 “이전에 볼 수 없었던 물질을 보게끔 하는 특수한 슬라이드글라스인 셈”이라고 부연했다.

제작 방식도 간단하다. 반도체 공정에 흔히 사용되는 전자빔 증착기를 이용해 세 종류의 물질을 박막 형태로 차곡차곡 코팅하면 된다. 송 교수는 “반도체 장비를 사용해 대면적으로도 반도체 산업에도 새로운 시장이 개척될 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

송 교수는 “이번 연구는 바이러스를 색상 변화로 관찰할 수 있도록 한 첫 사례로, 의료진은 현미경 관찰과 색도 분석을 통해 바이러스의 정확한 농도를 매우 빠르게 알아낼 수 있어 다양한 바이러스와 유해인자를 동시에 검출하는 것도 가능하다”며 "머지않아 일반인이 육안으로 바이러스를 식별할 수 있도록 할 것”이라고 밝혔다. 이번 연구결과는 국제학술지 '어드밴스드 머티리얼스' 3월 26일자에 게재됐다.

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