나노기술 및 정책 정보

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스위스 로잔 연방 공과대학(EPFL)의 연구진은 나노세계의 모든 주요 생체 분자 클래스를 방해하지 않고 관찰하는 데 사용할 수 있는 새로운 바이오 센서를 개발함. 그들의 혁신적인 기술은 나노기술, 메타 표면, 적외선 및 인공지능을 사용함.

빛, 특히 적외선은 연구진이 개발한 바이오 센서의 핵심임. 인간은 청색에서 적색까지의 가시광선 스펙트럼을 넘어선 적외선을 볼 수 없음. 그러나 분자는 적외선 여기 아래에서 진동하기 때문에 우리 몸에서 열의 형태로 느낄 수 있음.

분자는 서로 결합된 원자로 구성되며 원자의 질량과 결합의 배열 및 강성에 따라 특정 주파수에서 진동함. 이것은 길이에 따라 특정 주파수에서 진동하는 악기의 현과 유사함. 이러한 공진 주파수는 분자별로 다르며 대부분 전자기 스펙트럼의 적외선 주파수 범위에서 발생함.

연구진은 메타 표면과 인공지능을 사용하여 두 가지 문제를 해결함. 메타 표면은 나노 스케일에서 뛰어난 빛 조작 능력을 가진 인공 재료로 자연에서 볼 수 있는 것 이상의 기능을 가능하게 함. 여기에서 금 나노로드로 만들어진 정밀하게 조작된 메타 원자는 금속에서 자유 전자의 집합적 진동으로 인한 플라즈몬 여기를 두드려 광물질 상호작용의 증폭기처럼 작동함.

인공지능은 인간이 같은 시간에 처리할 수 있는 것보다 더 많은 데이터를 제공할 수 있고 데이터에서 복잡한 패턴을 인식하는 능력을 빠르게 개발할 수 있는 강력한 도구임.

적외선 메타 표면이 인공지능으로 강화되면 새로운 센서를 사용하여 주요 생체 분자 클래스에서 동시에 여러 분석물을 특징으로 하는 생물학적 분석을 하고 동적 상호 작용을 해결할 수 있음.

연구진은 특히 지질 소포 기반 나노입자를 조사하고 독소 펩타이드의 삽입과 후속적으로 뉴클레오티드와 탄수화물의 소포화물 방출을 통한 파손을 모니터링하고 메타 표면에 지지된 지질 이중층 패치의 형성을 모니터링했음.

이 선구적인 인공지능 및 메타 표면 기반의 바이오 센서는 엑소좀을 통한 세포 간 통신, 핵산 및 탄수화물과 유전자 조절 및 신경 변성에서 단백질과의 상호작용과 같은 본질적으로 복잡한 생물학적 과정을 연구하고 풀기 위한 흥미로운 관점을 열어 줄 것임.

본 연구 성과는 Advanced Materials ("Infrared Metasurface Augmented by Deep Learning for Monitoring Dynamics between All Major Classes of Biomolecules")에 게재됨.