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국내 연구진이 검출한계를 기존보다 10억배 향상시킨 초고감도 생체 분자검출용 디지털 코드 라만 분광 기술(Raman spectroscopy)을 세계 최초로 개발함.
라만 분광법은 특정 분자에 레이저를 쏘았을 때 그 분자 전자의 에너지 준위 차이만큼 에너지를 흡수하는 현상으로 분자의 종류를 알아내는 방법임.

한국과학기술원(KAIST, 카이스트)은 바이오및뇌공학과 정기훈 교수팀이 생체 분자 광학 검출의 기술적인 장벽인 신호대잡음비를 1,000배 이상, 검출한계를 10억배인 아토몰(10-18 mole) 단위까지 향상시킨 디지털 코드 라만 분광 기술을 개발했다고 15일 밝힘.

연구진은 통신 분야에서 잘 알려진 대역 확산기술(CDMA)을 생분자화합물 라만 분광 검출법에 세계 최초로 적용함.
디지털 코드화된 레이저광원을 이용해 모든 잡음신호를 제거하고 생화합물의 고순도 라만 분광 신호를 복원, 극저농도의 생분자화합물을 형광 표지 없이 정확하게 분석함.

연구진은 이 기술이 다양한 분자진단, 약물 및 암 치료 모니터링뿐만 아니라 현장 진단용 광학 진단기기나 모바일 헬스케어 기기에도 활용 가능하다며 기대감을 드러냄.
일례로 알츠하이머병, 파킨슨병, 우울증 등 뇌세포 관련 신경 질환을 조기 진단하려면 신경전달물질 농도 변화를 지속적으로 모니터링하는 게 중요하지만, 기존 신경질환 진단기술은 양전자 방출 단층촬영(PET), 표면증강 라만 분광(SERS), 고성능 액체 크로마토그래피(HPLC), 형광 표지 기반 센서로 측정해 분석하는 방식임. 기존 기술은 검출한계가 나노몰(10-9 mole) 수준이며 시료 전처리 단계가 복잡하고 측정 시간이 오래 걸림.

하지만 새로 개발된 기술은 물질 고유진동 지문을 측정하는 성분 분석과 전처리가 필요하지 않다는 라만 분광 기술의 장점을 그대로 유지하면서 기존 기술의 한계인 낮은 신호대잡음비와 검출한계를 극복함.
연구진은 대역확산 분광기술과 표면증강 라만 분광법을 접목시켜 별도 표지 없이도 신경전달물질 5종을 아토몰 농도에서 검출해 기존 검출한계를 10억배 향상시켰으며 신호대잡음비도 1,000배 이상 증가한다는 사실을 확인함.

제1저자인 이원경 박사과정은 “고감도 분자 진단을 위해 통신 분야 최첨단 기술인 대역확산 기술을 접목한 차세대 디지털 코드 라만 분광 기술을 최초로 제안했다”며 “이 방법으로 기존 생체 분자 검출 기술의 장벽을 해결하고 기존 기술의 신경전달물질 검출한계를 획기적으로 향상시켰다ˮ고 말함.
그는 “고감도 소형 분광기로 신속하고 간단하게 현장 진단이 가능하고 다양한 분야에 활용될 수 있어 파급효과가 크다ˮ고 강조함.

정 교수는 “이번 결과를 바탕으로 향후 휴대용으로 소형화하면 낮은 비용으로 무표지 초고감도 생체 분자 분석과 신속한 현장 진단이 가능해질 것”이라며 “신경전달물질뿐 아니라 다양한 생화합물 검출, 바이러스 검출, 신약평가분야에 크게 활용될 수 있다ˮ고 말함.

이번 연구는 세계적 권위의 과학전문지 ‘네이처(nature)’ 자매지인 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’ 8일자 온라인판에 논문명 ‘Spread Spectrum SERS allows label-free detection of attomolar neurotransmitters’으로 발표됨.

연구는 한국연구재단 바이오기술개발사업, KAIST 코로나대응 과학기술뉴딜사업단과 범부처 전주기 의료기기 사업, 과학기술정보통신부 ETRI 연구개발지원사업의 지원을 받아 수행됨.