고감도 다중 검출을 위한 신규 검지소재 개발 동향

바이오 센서

◈ 목차

1. 서언

2. 플라즈모닉 광 기능 나노소재 개발 기술 동향

3. 결언

◈본문

1. 서언

전 세계적으로 고령화 사회가 도래하면서 삶의 질을 향상시키기 위한 스마트 에이징(Smart Aging), 특히 노인 기술(Gerontechnology)에 대한 관심이 증가하고 있다. 이에 따라 질병 조기 진단(Early Diagnosis) 기술의 핵심인 바이오 센서 개발 논의가 활발하게 이뤄지고 있다[1]. 체외진단(In Vitro Diagnostic) 기기 시장은 2024년 1,011억 달러에서 2030년 1,576억 달러로 약 7.6%의 연평균 성장률을 보일 것으로 예상된다[2]. COVID-19 팬데믹의 초기 대응 실패는 기존 공중보건 시스템의 한계를 드러냈으며, 정확성과 신속성을 동시에 만족하는 현장형 진단 기술의 필요성을 강조했다. 이에 따라 증폭된 분자의 신호를 실시간으로 관찰할 수 있는 광학 기반의 나노 바이오 센서가 주목을 받고 있다.

플라즈모닉(Plasmonic) 현상은 빛에 의한 물질 내 자유전자들의 집단적인 진동을 나타내고, 주로 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu)와 같은 귀금속 물질이 소재로 사용된다. 입사하는 빛의 파장보다 작은 귀금속 구조에서는 국부표면플라즈몬공명(Localized Surface Plasmon Resonance) 현상이 발생하고, 이웃 구조와 공명하여 핫스팟(Hotspot)이라고 불리는 유전매질에 전기장을 집속한다. 이는 광학 신호를 증폭시켜 극미량의 분자를 정확하게 검출할 수 있게 한다. 이에 따라 고감도 다중검출 진단을 위한 플라즈모닉 기반 바이오 센서의 연구가 진행되고 있다. 대표적으로 분자의 흡수/발광(Absorption/Emission)과 관련된 플라즈몬증강형광(Plasmon-Enhanced Fluorescence; PEF)과 산란(Scattering) 현상과 관련된 표면증강라만분광(Surface-Enhanced Raman Spectroscopy; SERS)이 있다[3].

플라즈모닉 센서의 성능은 나노구조의 크기, 주기, 밀도 등 구조적 특성에 의해 결정된다. 기존 제작 방식으로는 리소그라피(Lithography)와 고진공 장비를 활용한 Top-down 방식과 화학적으로 합성하는 Bottom-up 방식이 있다. Top-down 방식은 주기적 구조로 간섭성(Coherent) 공명을 발생시켜 약 108 이상의 우수한 신호 증폭도를 제공하지만 공정기술의 복잡성과 생산성에 한계가 있다. Bottom-up 방식은 간단한 공정을 통한 대량 합성이 가능하지만 구조의 균일성과 분산 제어가 어렵다. 따라서 고성능 플라즈모닉 나노소재와 이를 제작하는 기술의 개발이 시급하다. 본 연구에서는 최근 개발 동향을 중심으로 플라즈모닉 검지소재의 제작 기술 및 검출 응용 사례, 그리고 미래 전망을 제시한다.