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암호화된 레이저로 분자 검출한계 10억배 높였다


KAIST, 초고감도 생체 분자 검출용 '디지털 라만 분광 기술' 개발

[아이뉴스24 최상국 기자] CDMA 통신기술을 생분자화합물 검출에 적용해 기존 방법보다 훨씬 정밀하게 표적물질을 검출할 수 있는 기술이 선보였다.

15일 KAIST 바이오및뇌공학과 정기훈 교수 연구팀은 CDMA통신으로 잘 알려진 대역확산 통신기술(Spread Spectrum Technology)을 생분자화합물의 라만 분광 검출법에 적용, 기존보다 신호대잡음비를 1천배 이상 높이고, 검출한계를 10억배 향상시킨 '디지털 코드 라만 분광기술'을 세계 최초로 개발했다고 발표했다.

연구팀은 암호화된 대역확산코드를 레이저에 인코딩해 모든 잡음신호를 제거하고, 생화합물에서 나오는 고순도 라만 분광 신호를 복원(디코딩)하는 방법으로 극저농도의 생분자화합물을 형광 표지 없이 정확하게 분석해 냈다.

대역확산 라만분광 기술 개념도. 직교성을 가지는 확산 코드로 인코딩된 빛으로 생체 분자를 여기시켜 생체 분자에서 산란되어 나오는 빛을 확산코드로 디코딩하여 표적 생체 분자의 산란 신호를 복원하는 기술로 잡음신호가 제거되어 신호대잡음비가 향상된다.[KAIST]
대역확산 라만분광 기술 개념도. 직교성을 가지는 확산 코드로 인코딩된 빛으로 생체 분자를 여기시켜 생체 분자에서 산란되어 나오는 빛을 확산코드로 디코딩하여 표적 생체 분자의 산란 신호를 복원하는 기술로 잡음신호가 제거되어 신호대잡음비가 향상된다.[KAIST]

정밀한 생분자 검출기술은 다양한 분자진단, 약물 및 암 치료 모니터링의 정확도를 높이는 데 필요하다. 휴대용 장비가 개발된다면 현장 진단용 광학 진단기기나 모바일 헬스케어 기기에도 활용이 가능하다.

알츠하이머병, 파킨슨병, 우울증 등의 뇌세포와 관련된 신경 질환의 경우 신경전달물질의 농도 변화를 지속적으로 모니터링하는 것이 중요한데, 극저농도의 신경전달물질을 간편하면서도 정확하게 측정할 수 있다면 조기 진단율을 크게 높일 수 있고 환자의 치료 추적 관리에 큰 도움을 줄 수 있다.

하지만 양전자 방출 단층촬영(PET), 표면증강라만분광(SERS), 고성능 액체 크로마토그래피(HPLC) 등 기존 신경 질환 진단기술은 검출한계가 나노몰(10억분의1 mole) 이상에 그치며, 시료 전처리 단계가 복잡하고 측정 시간이 오래 걸리는 한계가 있다.

연구팀은 문제 해결을 위해 대역확산 통신기술의 뛰어난 잡음 제거 기술을 생체 분자 검출에 적용했다. 연구팀이 개발한 대역확산 기반 디지털 코드 분광 기술은 암호화된 빛을 생체 분자에 쏘아 산란돼 나오는 빛을 복호화하는 과정을 거친다.레이저 출력 변동, 수신기 자체 잡음 등의 시스템 잡음과 표적 분자 이외의 분자 신호를 효율적으로 제거하고 표적 생체 분자 신호만 선택적으로 복원했다. 이러한 방식으로 신호대잡음비와 검출한계, 시간해상도를 최고 수준으로 끌어올릴 수 있었다.

연구팀은 이 기술로 별도의 표지 없이도 5종의 신경전달물질을 아토 몰(10^-18 mole) 농도에서 검출해 기존 검출한계를 10억배 향상시켰으며, 신호대잡음비가 1천배 이상 증가함을 확인했다고 밝혔다.

파킨슨병과 관련된 신경전달물질인 도파민 1mM(밀리몰)과 알츠하이머병과 관련된 신경전달물질인 아세틸콜린 1mM을 대역확산 라만분광 기술로 측정한 스펙트럼. 기존 표면증강라만분광 기술로 측정한 라만 스펙트럼에 비해 신호대잡음비가 1천배 이상 증가했다. [KAIST]
파킨슨병과 관련된 신경전달물질인 도파민 1mM(밀리몰)과 알츠하이머병과 관련된 신경전달물질인 아세틸콜린 1mM을 대역확산 라만분광 기술로 측정한 스펙트럼. 기존 표면증강라만분광 기술로 측정한 라만 스펙트럼에 비해 신호대잡음비가 1천배 이상 증가했다. [KAIST]

제1저자인 이원경 박사과정은 "고감도 분자 진단을 위해 통신 분야의 최첨단 기술인 대역확산 기술을 접목한 차세대 디지털 코드 라만 분광 기술을 최초로 제안했으며, 이 방법으로 기존 생체 분자 검출 기술의 장벽을 해결하고 기존 기술의 신경전달물질 검출한계를 획기적으로 향상시켰다. 고감도 소형 분광기로 신속하고 간단하게 현장 진단이 가능하고 다양한 분야에 활용될 수 있어 파급효과가 크다"고 말했다.

정기훈 교수는 "이번 결과를 바탕으로 향후 휴대용으로 소형화를 진행하면 낮은 비용으로 무표지 초고감도 생체 분자 분석 및 신속한 현장 진단이 가능해질 것"이라며 "신경전달물질뿐 아니라 다양한 생화합물 검출, 바이러스 검출, 신약평가분야에 크게 활용될수 있을 것"으로 전망했다.

이 연구는 '네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)'에 1월 8일 온라인으로 게재됐다. (논문명: Spread Spectrum SERS allows label-free detection of attomolar neurotransmitters)

최상국 기자 skchoi@inews24.com






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