양자물리 기반 바이오센서의 개요 및 연구동향

양자 바이오

◈ 목차

1. 개요

2. 연구개발 동향 

3. 결론 및 시사점

◈본문

1. 개요

양자생물학(Quantum Biology)은 양자역학을 기반으로 생명체 내에서 일어나는 다양한 현상과 기능을 탐구하는 다학체적 학문 분야로, 기존의 고전적 물리·화학 이론으로는 설명되지 않던 생명현상을 양자역학적 관점에서 규명하고자 한다. 생명체 내에서 관찰되는 전자(electron), 양성자(proton), 화학 결합(chemical bonding), 여기(excitation), 전자 전하(electronic charge) 등 모든 기본 프로세스는 본질적으로 양자적 성격을 띠며, 이들의 반응 메커니즘을 이해하고 제어하기 위해서는 필연적으로 양자역학적 접근이 요구된다. 특히 생명체는 열린 양자 시스템(open quantum system)으로 볼 수 있으며, 광합성, 시각, 후각, 호흡, 촉매 반응 등 주요 생물학적 수송 과정(biological transport process)에서 양자역학적 효과가 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 이러한 생체 내 양자 효과는 전자 또는 양자의 터널링(tunneling), 에너지·전하 전달(energy/charge transfer)과 같은 장거리(long-distance) 현상으로 주로 나타나며, 온도, 자기장, 양자 중첩(quantum superposition),양자 결맞음(quantum coherence), 공명(resonance) 등 다양한 물리적 변수에 민감하게 반응한다. 나아가 이러한 양자적 특성은 분자 수준의 동역학을 넘어 단백질의 구조와 기능에도 직접적인 영향을 미치며, 생명 현상 이해뿐 아니라 차세대 바이오센싱, 분자 이미징, 양자정보 기반 생명과학 기술 개발 등으로의 응용 가능성을 확장한다.

양자 기술은 과학과 산업 전반에 걸쳐 혁신적 변화를 가져올 잠재력을 지니고 있으며, 그중에서도 양자 센싱은 단기간 내 실질적 파급효과가 기대되는 핵심 응용 분야로 주목받고 있다. 대규모 확장성 문제로 상용화까지 상당한 시간이 소요될 것으로 예상되는 양자 컴퓨팅과 양자 통신과 달리, 양자 센싱은 미세한 양자 결맞음을 활용해 극도로 미약한 환경 신호를 고감도로 감지할 수 있는 특성을 갖추고 있다. 이러한 특성은 생체 시스템을 교란하지 않으면서 미세 생화학 신호, 초미약 자기장 변동, 나노 스케일 산화환원 환경 변화를 정밀하게 탐지해야 하는 생명과학 및 의생명 분야에서 특히 중요한 의미를 지니며, 이를 위해 다양한 스핀과 얽힘 기반의 양자 특성을 활용한 센서 소자들이 활발히 연구되고 있어 바이오 분야로의 응용 잠재력이 크게 주목받고 있다.

추가로 차세대 바이오 센싱 플랫폼으로 주목을 받는 분야로는 메타 표면 기술이 있다. 메타표면 기반 나노포토닉스 기술은 초고속·고감도 바이오센서 개발에서부터 양자터널링 현상을 활용한 분자 수준의 정밀 측정, 나아가 다양한 양자센싱 기능의 소형화·집적화에 이르기까지 통합형 플랫폼으로 발전할 잠재력을 지니고 있다. 이러한 접근은 생체 내 미세 신호를 실시간으로 포착하면서도 시스템의 복잡성을 최소화하고, 초고감도·비침습적 측정을 가능하게 하여 궁극적으로는 단일 분자 수준에서의 양자역학적 현상 규명과 정밀 의료 진단을 동시에 구현할 수 있는 차세대 기술 로드맵을 제시할 수 있다.

앞서 언급한 양자바이오 개념과 양자 센싱, 그리고 메타표면 기반 나노포토닉스 기술의 잠재력을 토대로, 본 글에서는 바이오센싱 분야에서 주목받고 있는 최신 기술 동향과 향후 발전 방향을 종합적으로 다루고자 한다. 특히, 양자 터널링 기반 초고감도 측정 기술, 스핀·얽힘(spin/entanglement) 기반 차세대 양자 센싱 기법, 그리고 나노포토닉스와 접목된 고정밀·통합형 플랫폼 개발 사례를 중심으로, 각 기술이 지닌 원리와 특성, 그리고 생체 내 양자현상 규명 및 정밀 의료 진단에 기여할 수 있는 가능성을 체계적으로 설명할 것이다. 이를 통해 단일 분자 수준에서의 미세 신호 검출부터 초고속·비침습적 측정이 가능한 차세대 바이오센싱 패러다임으로의 도약까지, 통합형 양자 바이오센싱 플랫폼이 열어갈 미래 비전을 제시하고자 한다 [그림 1].

[그림 1] 통합형 양자 바이오센싱 플랫폼

출처: ACS Photonics 2024, 11(3), 904–916.