GIST-부산대, 초고속 유해물질 감지센서 '컬러센서' 개발
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GIST-부산대, 초고속 유해물질 감지센서 '컬러센서' 개발
  • 입력 2020-07-27 15:55
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송영민 GIST 교수 “다양한 유해물질 직관적‧신속한 감지 가능할 것”
육안으로 관찰 가능한 바이러스 기반 컬러센서 디스플레이. (사진=GIST 제공).
육안으로 관찰 가능한 바이러스 기반 컬러센서 디스플레이. (사진=GIST 제공).

광주과학기술원(GIST‧총장 김기선)은 송영민 GIST 전기전자컴퓨터공학부 교수와 오진우 부산대학교 교수 공동 연구팀이 초고속으로 유해물질을 감지할 수 있는 바이러스 기반 컬러센서(비색 감지 센서)를 개발했다고 27일 밝혔다.

컬러센서는 색 시약과 기능성 색 필터를 기반으로 화학 원소 또는 화합물을 색 변화를 통해 감지하는 센서를 말한다. 매우 작은 유해 입자를 감지할 수 있고 직관적으로 관찰할 수 있어 색 변화를 통해 유해물질 감지가 가능하다. 또 휴대용 스마트기기와 연동해 실생활에서도 손쉽게 활용될 수 있고 작동을 위해 별도의 에너지를 필요로 하지 않는다.

연구팀은 컬러센서의 실용 가능성을 높이기 위해 넓은 면적(센티미터 수준)에 M13 박테리오파지 바이러스를 얇게 코팅해 기존의 복잡한 구조를 사용했던 것에 비해 2.5배가량 빠른 110 ms의 반응속도를 구현했다.

M13 박테리오파지 바이러스는 미국 식품의약국(FDA)의 승인을 받은 인체에 무해한 박테리오파지 바이러스로 특정 대장균(E. coli)을 숙주로 삼아 유전자를 복제해 개체를 늘린다. 유해물질의 침투로 인해 팽창하고 나노구조체 사이의 간격이 넓어지는 특징이 있다.

직관적 관찰이 가능한 바이러스 기반 수분 감지 센서. 육안으로는 패턴이 보이지 않지만 주변의 습도 변화에 따라 즉각적으로 색이 변하며 패턴이 드러나도록 설계한 습도 감지 컬러 디스플레이. 또 바이러스 기반의 동적 변환층을 적용해 매우 빠른 속도로 주변 습도를 감지 할 수 있다는 점이 특징이다. (사진=GIST 제공).
직관적 관찰이 가능한 바이러스 기반 수분 감지 센서. 육안으로는 패턴이 보이지 않지만 주변의 습도 변화에 따라 즉각적으로 색이 변하며 패턴이 드러나도록 설계한 습도 감지 컬러 디스플레이. 또 바이러스 기반의 동적 변환층을 적용해 매우 빠른 속도로 주변 습도를 감지 할 수 있다는 점이 특징이다. (사진=GIST 제공).

연구팀은 바이러스 표면의 유전자 변형을 통해 다양한 휘발성 유기화합물 및 환경호르몬과 같은 각종 유해물질에 따른 바이러스의 반응성을 조절했으며, 비슷한 형태를 가진 유해물질을 수십 ppb(10억분의 1수준의 농도)의 매우 낮은 농도에서 구분하는 데 성공했다.

해당 기술은 이제까지 색 변화를 통해 유해물질을 손쉽게 관측한다는 장점이 있었으나 발색을 구현하기 위해 복잡한 구조를 형성해야 하므로 이는 감지 속도와 감도에 매우 불리한 요소로 작용해왔다.

연구팀은 복잡한 구조 없이 매우 얇은 바이러스 층(60 nm)에서도 뚜렷한 색을 구현할 수 있도록 공진 증폭 기판을 설계해 센서 플랫폼으로 적용했다. 또 발색 구조의 공진 조건 디자인으로 평소에는 보이지 않는 센서를 제작했고 특정 환경에서만 패턴을 드러나게 함으로써 유해물질의 직관적 관찰을 가능하게 했다.

왼쪽부터 유영진 GIST 전기전자컴퓨터공학부 박사과정생(공동 제1저자), 송영민 GIST 전기전자컴퓨터공학부 교수, 고주환 GIST 전기전자컴퓨터공학부 박사과정생(공동 제1저자). (사진=GIST 제공).
왼쪽부터 유영진 GIST 전기전자컴퓨터공학부 박사과정생(공동 제1저자), 송영민 GIST 전기전자컴퓨터공학부 교수, 고주환 GIST 전기전자컴퓨터공학부 박사과정생(공동 제1저자). (사진=GIST 제공).

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 미래소재디스커버리사업과 기초연구실지원사업 및 지스트 GRI 지원과제로 수행됐다. 연구 결과는 국제학술지 어드밴스드 사이언스(Advanced Science)에 지난 21일자로 온라인 게재됐다.

송영민 GIST 교수는 “나노미터 수준의 섬유형 바이러스를 적용해 유해물질과 컬러센서 간의 결합을 유도했고 광학 설계를 통해 직관적으로 유해물질을 감지할 수 있게 됐다”며 “향후 보다 심층적인 유전자 조작과 컬러센서용 플랫폼의 최적화를 통해 다양한 유해물질의 직관적이고 빠른 감지가 가능할 것으로 기대한다”고 말했다.

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