바이오 기술(BT)과 세라믹스

바이오센서용 세라믹 소재의 연구개발 동향과 전망

최 진 섭 공학박사 요업(세라믹)기술원 나노소재응용본부 선임연구원

1. 서론
게놈 프로젝트 (genome project: genome을 해독해 유전자지도를 작성하고 유전자 배열을 분석·연구하는 작업)의 성공적인 연구성과에 따라 post-genome 시대를 대비한 연구를 위해서, 측정하고 싶은 생물(화)학적 물질의 유무를 탐지하고 이를 정량화하려는 연구는 최근에 중요한 화두이다.
이미 많은 주요기업들은 게놈 프로젝트로부터 얻어낸 연구 성과를 상업화하여 새로운 시장을 개척하기 위하여 관련분야 연구에 적극 투자하고 있다. 다른 한편으로는 9.11 사태이후 탄저균 배달 사건과 같은 생물학적 테러에 대한 대비를 위해서 국가적인 차원에서 바이오센서는 중요한 관심사가 되고 있다.
일반적으로, 바이오센서는 생체감지물질(biorecep
tor)과 변환기(signal transducer)로 구성되어 있다 (그림 1참조). 분석하고자 하는 물질을 선택적으로 감지하기 위해서 생체감지물질은 특정한 물질에 대한 인식기능을 갖고 있으며, 이 수용체에 선택으로 생물학적 상호작용 및 반응이 일어날 때 발생하는 신호를 변환기(transducer)에서 전기적으로 또는 광학적으로 변환하여 계측한다. 생물학적 상호작용 및 반응 유무는 생물학적 상호작용 발생전후의 전기화학적 변화(electrochemical), 광학적(optical) 변화, 압전변화(piezoelectric), 색변화(color), 전기전도도 변화(conductivity)등으로 측정을 한다.
이번 특집에서는 광학적 측정법, 압전변화, 전기화학적 변화에 의한 측정법 등 대표적인 3가지 측정법에 사용되는 기판소재로서 세라믹 소재의 특성 및 연구 동향을 기술하려고 한다.
 
2. 바이오센서의 측정법에 따른 세라믹 소재의 응용
세라믹소재는 오래전부터 중요한 센서소재로 이용되어 왔다(표 1참조). 이는 극한 환경(예: 고온, 고압, 다습, 부식성이 강한 환경)에서의 센싱능력을 유지하는 유일한 소재이며, 검출의 정확성 및 경제성, 가공의 다양성 등 다양한 요소 때문이다. 그럼으로, 세라믹소재의 바이오센서 적용은 크게 새로운 사실이 아니다.
특히, 세라믹 소재는 생체친화성 때문에 바이오센서 적용에 많은 관심을 받아 오고 있다. 또한, 우수한 광투과성 및 경제성 때문에 glass는 중요한 바이오센서의 기판소재로 이용되어 왔으며, 압전현상을 나타내는 다양한 세라믹 복합소재 덕분에 압전변화에 의한 바이오센서 개발에서 세라믹 소재는 중요한 요소물질로 인식되었다.
최근, 전도성이 우수한 세라믹 소재 개발에 힘입어 전기화학적 방법에 의한 바이오센싱법에 적용될 세라믹 소재연구가 한창이다. 각 측정방법과 사용되는 세라믹 소재는 다음과 같이 분류할 수 있다.

가. 광학적 측정법과 이에 사용되는 세라믹 소재
광학적 측정법은 세분화 하여 여러 가지로 방법으로 나눌 수 있지만(그림1 참조), 형광물질(fluorescent tag)을 이용하여 측정 대상물(target)과 고정화 물질(probe)의 상호반응을 했을때, 고정화 된 형광물질이 발광하는 것을 이미지 스캔너를 통해 읽는 방법이 가장 대표적이다.
이 때문에 생체분자 인식체(probe)를 기판 위에 선택적으로 고정화시키는 기술이 핵심 기술이다. 일반적으로 glass는 SiO2를 주요 함유물로 포함하고 있기 때문에 생체분자의 흡착 능력이 우수하고 또한, 다양한 표면처리로 쉽게 원하는 probe를 고정화 할 수 있기 때문에 많이 사용되어 왔다. 다른 한편으로는 가시광선 영역에서의 광학적 특성이 잘 연구되어 있고, 투과성이 우수하고 경제적이기 때문에 광학적 측정법에 주요 기판소재로 자리매김하게 되었다.
이러한 glass위에 생체분자(biomolec
ule) 고정화 연구는 이미 많은 부분 특허에 의해 보호받고 있다. 예를 들어, Affimatrix사는 DNA chip 제조를 위하여 A(아데닌), G(구아닌), C(시토신), T(티민)의 DNA 조합을 올리고(oligomer)형태의 원하는 순서(sequence)대로 glass 기판위에 제어할 수 있는 기술을 1992년 특허로 등록해 놓은 상태이다. 최근에는, 좀더 치밀한 마이크로어레이(micro
rray) 제작을 위하여 리소그래피(lithography) 공정을 사용한다. 이 공정에 적합한 소재로 Si 위의 SiO2 박막을 이용하는 연구 경향도 뚜렷이 증가하고 있는 추세이다.
광학적 측정법의 가장 큰 단점은 비교적 규모가 큰 장비들이 요구되고 있으며, 소형화시 감지능력이 현격히 떨어진다는 것이다. Glass 소재는 바이오센서의 광학적 측정 소재로는 매우 중요한 역할을 해왔지만, 소형화시 사용될 방법으로 각광받고 있는 압전측정, 전기화학적 측정법 등 다른 방법으로 사용되기에는 어려움이 크다는 단점이 있다. 

나. 압전변화에 의한 측정법과 이에 사용되는
    세라믹 소재 
압전현상이란 어떤 종류의 결정판에 일정한 방향에서 압력을 가하면 그 외력에 비례해서 양전 또는 음전하가 나타나는 현상을 말하며, 이는 전기적 신호로 변환될 수 있다.(반대로 전기적 힘을 압력의 변화로 바꿀 수도 있다)
압전현상을 이용하여 센싱을 하려는 방법은 비단 바이오센서에서만의 원리는 아니다. 이미 표 1에서 제시한데로 압전현상을 이용한 위치·가속도·초음파센서가 개발되었다.
압전현상을 이용하여 바이오 센싱을 하려는 원리는 다른 압전현상을 이용한 센싱법과 같다. 우선 PZT(Pb(Zr,Ti)O3)등 압전현상을 일으킬 수 있는 세라믹 소재에 생체감지물질을 고정화 시킨다. 이 감지물질이 대상물질과 반응을 하면 압력의 변화가 생기고 이를 전기적으로 변환하거나 진동수의 변환을 통하여 대상 물질을 감지하는 방법이다. 일반적으로 SAW(surface acoustic wave) biosensor는 이러한 원리를 이용한 것이며, 주요 세라믹 소재로는 BaTi
O3, PbTiO3, PZT, LiTaO3, LiNbO3, ZnO 등이다. 또한 수정진동자 변화에 의한 측정법도 넓은 범위에서 압전현상을 이용하는 것이다. 단결정 수정(SiO2)은 특유의 고유 진동주파수를 가지고 있으며(두께, cutting 방법 등에 따라 고유 주파수가 다름), 표면에서의 미세 질량 변화는 수정진동자의 진동주파수 변화를 일으켜(무게가 증가되면 진동주파수가 더 느리게 됨) 극미량의 질량 변화(0.1-1 ng/cm2)를 측정할 수 있다.
수정진동자 마이크로저율(QCM: Quartz Crystal Microbalance)을 이용한 바이오센싱법은 수정진동자에 생체감지물질을 고정화 시키고, 대상물질이 고정화된 생체감지물질과 선택적 반응을 하면 대상물질 만큼 미세 질량변화를 가져온다.
이러한 질량변화는 수정진동자의 진동주파수를 변화하여 대상물질의 유무 및 정량분석을 할 수 있게 되는 것이다. 일반적으로 용액상에서 전기화학적 방법과 같이 사용하며, EQCM(Electrochemical Quartz Crystal Microbalance)이라 부른다. 
다. 전기화학적 변화에 의한 측정법과
    이에 사용되는 세라믹 소재
일반적으로 세라믹 소재는 전기전도도와 무관하다고 생각할 수 있다. 그러나 이미 전자소재에서는 ITO(Indium tin oxide), FTO (Fluorine doped tin oxide (SnO2:F)), ZnO 등 광학적으로 투명하며 전기전도성이 우수한 세라믹 소재들이 개발되었고, 널리 사용되어 왔다.
이러한 전도성이 우수한 세라믹소재의 개발은 세라믹 소재를 이용한 생체분자의 전기화학적 측정법을 가능하게 하였다. 일반적으로 전기화학 바이오센싱법에 사용되는 주요소재는 전기전도도가 우수하고, 표면개질을 통해 생체분자와의 결합이 우수하며, 화학적으로 매우 안정한 금(Au)을 사용하였다. 그러나, 고순도의 금은 가격경쟁력이 매우 낮아 실제 실용화에는 어려움이 많이 있다. 이러한 단점을 보안하기 위해 최근 전도성 고분자(예 polyaniline, polypyrole)재료가 각광을 받아 왔으나, 고분자 소재는 혈액과 접촉시 팽윤현상을 일으킬 수 있으며, background noise가 비교적 심하여, 미량의 감지물질을 측정하기에 어려움이 있다. 특히, 산화환원을 일으킬 수 있는 영역이 pH에 따라 많이 변화한다는 단점이 있다. 이러한 이유 때문에 최근 전도성 세라믹 소재가 큰 관심을 받고 있다.
전기화학적 방법에 의한 생체분자 측정법은 다음과 같다.
우선 DNA 센싱의 경우 생체감지물질(probess
DNA)을 전극위에 고정화 시키고, 감지대상 DNA (target ssDNA)의 교잡 (hybridization)발생시, 반응전후의 G(구아닌) 산화의 양의 차이를 측정한다. 좀더 세련된 방법으로는 intercalator라는 보조 물질을 이용하여 ssDNA와 dsDNA의 전기화학적 반응차이를 이용하여 측정을 한다. 단백질의 경우 효소를 이용하거나 항원/항체 반응을 이용하여 측정 전후의 전기화학적 신호차를 이용한다. 특히, 세라믹 소재는 이러한 생체분자의 탁월한 흡착능력이 있고, 쉬운 공정 및 다공화 기술과 나노입자의 적층화기술이 이미 많은 부분 연구되어 왔다.
이러한 다공화 기술 및 적층화 기술은 표면적을 크게 증가시킬 수 있기 때문에 바이오센서 응용시 감응감도를 증가시킬 수 있을 것으로 예상된다. 예를 들어, 그림 2에서는 최근에 Advanced Materials에 소개된 메조포러스 Nb2O5을 응용한 단백질 검출법을 소개하고 있다. Nb2O5는 단백질을 흡착시켜 고정화 시킬 수 있으며, 이렇게 고정화된 단백질은 평평한 표면에서 보다 바이오센서로서의 기능이 오래 유지 된다고 한다. 또한 Dye-solar cell 개발로 유명한 스위스 공대의 Gr둻zel교수팀은 나노크기의 TiO2 구조체를 이용하여 DNA를 검출법을 보고하였다. 이 방법은 TiO2 나노입자와 Ru계열의 dye를 이용하여 ssDNA와 dsDNA를 전기화학적으로 분리/감지하는 기술이다.
끝으로 소개된 연구는, transistor의 gate(Ta2O5)에 DNA를 고정화 시키고 전기전도도 변화를 통해 ssDNA와 dsDNA를 검지하는 최근 방법이다. 

3. 연구개발 전망
바이오센서는 최근 나노기술의 발전에 따른 BT-IT-NT 융합화가 진행되고 있으며, 앞으로 창출될 바오이센서 관련 새로운 기술을 예측하기 어렵게 빠르게 발전하고 있다. 이미 우리나라에서도 삼성종기원을 비롯하여 여러 연구그룹에서 바이오센서연구를 진행하고 있으며 140건이 넘는 국내외 특허를 보유하고 있다.
이미 서두에서 언급하였듯이, glass 소재는 광학적 측정법에 있어서 대표적으로 사용되는 바이오센서 기판 소재이다. 최근 연구경향은 좀 더 정밀한 장비를 이용하여 미세한 양의 시료를 정밀하게 측정하기 경향과 소형화하여 휴대화 할 수 있는 바이오센서를 개발하려는 연구경향이 있다. 전자를 위해서는 SPR(surface plasmon resonance)현상을 이용하는 등 좀 더 발전된 광학적 방법이 개발되고 있으며, 현재까지는 소재 개발보다는 측정방법과 공정기술에 연구개발 목표가 맞추어져 있다.
소형화 연구경향에서는 압전현상을 이용하거나 전기화학적 방법을 이용한 방법들이 제기되고 있으며, 다양한 소재 개발과 공정기술 개발을 통해 좀 더 가격경쟁력이 우수하며, 미세량 측정이 가능한 제품을 개발하려하고 있다.
또한 세라믹 가공기술이 바이오센서를 packaging하는 기술에 응용되는 연구들이 시도되고 있다. 예를 들어 최근 마이크로 플루이딕스(microfluidics) 연구 개발에 있어서 주요 연구 쟁점인 3D 구조화를 세라믹 LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic) 적층법 기술을 이용하려는 시도들이 꾸준히 제기되고 있다.
기능성 세라믹 소재는 공정기술의 단순함과 가격 경쟁력 등에서 매우 우수하기 때문에 바이오센서 기판소재로서 꾸준히 발전할 것으로 예측된다. 바이오센서에 세라믹 소재의 수요는 다양한 용도의 기판소재, 3D 구조화를 위한 packaging 공정 등 꾸준히 그 중요성이 부각될 것으로 확신한다.  

표 1. 세라믹센서의 종류와 감지재료(월간세라믹스 2006년 3월호 73페이지 참조)
그림 1. 바이오센서의 구성과 측정방법

그림 2. 세라믹 소재를 이용한 전기화학 방법에 의한
           DNA 검출법에 대한 최근 연구

필자약력
·인하대학교, 화학공학 (학부)
·인하대학교, 화학공학 (석사)
·(독)막스플랑크 할레 연구소(Max-Planck-Inst.)
 및 마틴루터 대학(Martin-Luther-Univ)
  나노공학 (박사)
·(미)캘리포니아 공대(CalTech)
 전자공학 (박사후 연구원)
·요업(세라믹) 기술원, 나노소재응용본부
 나노-바이오융합 팀 (선임연구원)