- 메타표면 칩 기반 초분광 이미징 및 바이오센서 기술 개발

- 한 번에 여러 종류의 분자를 측정하는 멀티플렉싱 센서 기술 개발

서울시립대(총장 원용걸) 생명과학과 최인희 교수 연구팀은 성균관대 양자생명물리과학원 김인기/루크 리 교수 연구팀 및 포항공대 노준석 교수 연구팀과 공동 연구를 통해 메타표면 칩을 통해 실시간으로 세포를 모니터링할 수 있는 초분광 이미징 기술 개발에 참여했다. 

▲ (좌측부터) 서울시립대 최인희 교수, 서울시립대 한승연 학생, 성균관대 김인기 교수,  성균관대/하버드 의대 루크 리 교수, 포항공대 노준석 교수

초분광 이미징(Hyperspectral imaging) 기술이란 현미경을 통해 사물의 형상과 분광 신호를 동시에 분석하는 기술로, 질병의 조기 진단 및 치료제 개발을 가능하게 하는 핵심 기술이다. 본 연구에서는 플라즈몬 공명 에너지 전달 현상(Plasmonic resonance energy transfer, PRET)을 통해 표적화학물질의 분자 지문을 비표지 방식으로 검출할 수 있는 기술을 개발했다. 

▲  Advanced Materials 표지논문

PRET 기반의 센서 기술은 빛 에너지를 산란시키는 물체와 그 에너지를 흡수하는 물체 사이의 에너지 전달 현상을 통해, 빛을 흡수하는 물체의 화학 정보를 알아낼 수 있다. 하지만 기존의 나노입자 탐침 기반의 PRET 센서는 나노입자의 제한된 산란 특성으로 인해 한 번에 하나의 분자만 측정할 수 있고, 세포와 세포 사이에서 일어나는 물질 전달을 실시간으로 모니터링하기 어려운 단점이 존재했다. 또한 세포의 시공간적 변화를 정확하게 실시간으로 모니터링을 하기 위해서는 좀 더 정밀한 칩 형태의 디바이스 구현이 요구된다. 

▲  메타표면 칩 기반 초분광 이미징 및 센서 기술 모식도

연구진은 머리카락 굵기 1000분의 1에 불과한 초박형 평면 광학 소자인 메타표면을 활용해 초분광 이미징 및 멀티플렉싱 센서 기술을 개발했다 (그림 1). 메타표면 칩은 빛의 산란 특성을 자유자재로 조절할 수 있고, 이를 이용해 가시광선 영역에서 원하는 파장의 빛만을 산란시키는 광소자를 구현하였다 (그림 2). 연구팀은 동물 및 식물세포의 신진대사에 중요한 역할을 하는 시토크롬(Cytochrome) 및 클로로필(Chlorophyll)과 같은 서로 다른 종류의 분자들을 메타표면 칩을 통해 한 번에 검출할 수 있음을 확인했다. 

▲  메타표면을 통한 특정 가시광선 파장 산란 기술을 이용한 컬러 프린팅 기술 

나아가 연구팀은 이 메타표면 칩을 통해 살아있는 세포에서 분비되는 활성산소를 실시간으로 검출할 수 있는 기술을 선보였다. 이 기술은 향후 약물 스크리닝 플랫폼으로 적용될 수 있을 것으로 기대된다. 이번 연구를 통해 구현된 메타표면 칩 기반 초분광 이미징 및 센서 기술은 세포 내의 다양한 화학물질을 검출할 수 있을 뿐만 아니라 세포 간 커뮤니케이션에 사용되는 세포 분비물을 실시간으로 모니터링할 수 있을 것으로 기대된다. 

▲  메타표면 칩을 통한 살아있는 세포에서 방출되는 활성산소 모니터링 기술

본 연구 결과는 국제학술지인 Advanced Materials(IF=32.086)에 10일 정식 출판되었고, 연구의 우수성을 입증받아 해당 호 표지논문으로 선정되었다. 이번 연구는 미래유망융합기술 파이오니어 사업, 선도연구센터, 중견연구자지원 사업 및 세종과학펠로우십 사업 등을 통하여 수행되었다.