작성일 : 21-01-19 17:44
KAIST, 정기훈 교수 연구팀 라만분광 기술 개발 , CDMA 적용해 초고감도 진단···신경질환 조기에 찾는다
 글쓴이 : happy
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CDMA 적용해 초고감도 진단···신경질환 조기에 찾는다

  •  길애경 기자
  •  
  •  승인 2021.01.17 16:16
 

KAIST, 정기훈 교수 연구팀 라만분광 기술 개발
생화합물 ·바이러스 검출·신약평가분야에 활용 기대
신호대잡음비 1000배 이상, 검출한계 10억배 향상

대역확산 라만분광 기술 개념도.[사진= KAIST]
대역확산 라만분광 기술 개념도.[사진= KAIST]
국내 연구진이 대역 확산기술(CDMA)를 라만 분광 검출에 적용, 기술 개발에 성공했다. 알츠하이머, 파킨슨 등 신경계 질환을 조기에 진단하는 것은 물론 다양한 헬스케어 분야에 활용이 기대된다.

KAIST(총장 신성철)는 정기훈 바이오및뇌공학과 교수 연구팀생체 분자의 광학 검출의 기술적 장벽인 신호대잡음비 1000배 이상, 검출한계를 기존대비 10억배까지 향상시키는 디지털 코드 '라만 분광 기술'을 개발했다고 17일 밝혔다.

라만 분광법(Raman spectroscopy)특정 분자에 레이저를 쏘았을 때 그 분자 전자의 에너지 준위 차이만큼 에너지를 흡수하는 현상을 통해 분자의 종류를 알아내는 방법이다

연구팀은 통신 분야에서 잘 알려진 대역 확산기술(CDMA) 을 생분자화합물의 라만 분광 검출법에 적용했다. 이를 통해 디지털 코드화된 레이저광원을 이용해 모든 잡음신호를 제거하고, 생화합물의 고순도 라만 분광 신호를 복원했다. 그 결과 극저농도의 생분자화합물을 형광 표지 없이 정확하게 분석했다. 

극저농도의 신경전달물질을 간편하면서도 정확하게 측정할 수 있다면 알츠하이머, 파킨슨 등 신경계 질환의 조기 진단율을 크게 높이면서 신경 질환 환자의 치료 추적 관리에 큰 도움을 줄 수 있다.

하지만 신경전달물질 기반의 기존 신경 질환 진단기술은 양전자 방출 단층촬영(PET), 표면증강라만분광(SERS), 고성능 액체 크로마토그래피(HPLC), 형광 표지 기반 센서로 측정해 분석하는 방식이다. 이러한 기존 신경 질환 진단기술은 시료 전처리 단계가 복잡하고 측정 시간이 오래 걸리는 한계가 있다.

연구팀은 문제 해결을 위해 대역확산 통신기술의 뛰어난 잡음 제거 기술을 생체 분자 검출에 적용했다. 이후 레이저 출력 변동, 수신기 자체 잡음 등의 시스템 잡음과 표적 분자 이외의 분자 신호를 효율적으로 제거하고 표적 생체 분자 신호만 선택적으로 복원했다. 그 결과 생체 분자 신호의 신호대잡음비를 증가시켜 더욱 정밀한 검출한계를 달성했다.

대역확산 기반 디지털 코드 분광 기술은 암호화된 빛으로 생체 분자를 높은 에너지로 이동시켜 생체 분자에서 산란돼 나오는 빛을 다시 확산 코드로 복호화한다. 이러한 과정을 거쳐 표적 생체 분자의 산란 신호를 복원해 질병, 건강 진단 지표, 유전 물질 검출 등에 응용할 수 있다. 

이번 성과는 라만 분광 기술의 장점을 그대로 유지하면서 기존 기술적 한계인 낮은 신호대잡음비와 검출한계를 극복한 기술로 평가된다. 바이오 이미징, 현미경, 바이오 마커 센서, 약물 모니터링, 암 조직 검사 등의 다양한 분야에 활용될 수 있다.

연구팀대역확산 분광 기술과 표면증강 라만 분광법(Surface-enhanced Raman spectroscopy)을 접목시켜 별도의 표지 없이도 5종의 신경전달물질을 아토몰 농도에서 검출해 기존 검출한계를 10억배 향상시켰으며, 신호대잡음비가 1000배 이상 증가함을 확인했다.

1 저자인 이원경 박사과정 "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"며 "고감도 소형 분광기로 신속하고 간단하게 현장 진단이 가능하고 다양한 분야에 활용될 수 있어 파급효과가 크다"고 말했다.

정기훈 교수"이번 결과를 바탕으로 향후 휴대용으로 소형화를 진행하면 낮은 비용으로 무표지 초고감도 생체 분자 분석 및 신속한 현장 진단이 가능해질 것이다"며 "또한 신경전달물질뿐 아니라 다양한 생화합물 검출, 바이러스 검출, 신약평가분야에 크게 활용될수 있을 것이다"고 기대했다.

이번연구는 한국연구재단 바이오기술개발사업, KAIST 코로나대응 과학기술뉴딜사업단과 범부처 전주기 의료기기 사업, ETRI 연구개발지원사업의 지원을 받아 수행됐다. 결과는 과학전문지 '네이처(nature)'의 자매지인 '네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)'에 8일자 온라인에 발표됐다.