디지털 신호 기법으로 도파민 농도 정확히 측정한다-나노구조 기반 디지털 신호 기법으로 도파민 검출하는 기술 개발

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2021. 11. 17.

디지털 신호 기법으로 도파민 농도 정확히 측정한다-나노구조 기반 디지털 신호 기법으로 도파민 검출하는 기술 개발

작성자관리자 작성일자2021-11-17 10:58

 

 

디지털 신호 기법으로 도파민 농도 정확히 측정한다

- 나노구조 기반 디지털 신호 기법으로 도파민 검출하는 기술 개발 -

- 파킨슨병, 간질 등 뇌 신경 관련 질환 조기 진단 및 치료에 사용 기대 -

 

 

한국표준과학연구원(KRISS, 원장 박현민)은 파킨슨병, 간질 등 뇌 신경 관련 질환과 관련된 중요한 신경전달물질인 도파민의 농도를 정량적으로 검출해 정확히 측정할 수 있는 기술을 개발하는 데 성공했다.

 

이번 기술은 도파민 검출 여부를 나노구조에 기반한 디지털 신호 기법으로 하나씩 세는 방법을 적용해 전체 측정 신호를 합산하여 분석하는 기존 기술보다 훨씬 더 정확하다는 장점이 있다. 향후 뇌 신경 관련 질환의 조기 진단 및 치료를 위한 모니터링에 활용할 수 있을 것으로 전망된다.

 

퇴행성 뇌질환의 하나인 파킨슨병은 도파민을 분비하는 부분의 신경세포가 손상됐을 때 발생한다. 알코올·쇼핑·니코틴 등 다양한 중독증상의 경우, 뇌에서 도파민 분비량이 과도해지면 충동을 조절하는 뇌의 전두엽을 계속 자극해 자신의 충동을 억제하지 못해 나타날 수 있다.

 

이처럼 도파민은 다양한 뇌 활동 및 생리학적 상황과 관련된 중요한 신경전달물질이다. 대사활동 및 면역체계를 조절하는 면역조절과도 관련된 물질이기 때문에, 도파민의 수치 변화는 다양한 뇌 신경 관련 질환을 진단하는 데 매우 중요하다.

 

뇌 신경 질환을 진단하기 위한 도파민의 수치 변화를 측정하려면 1 pM(피코몰, 1조 분의 1 몰) 수준까지 정확하게 검출할 수 있는 센서가 필요하다. 대표적으로 개발된 기술 중 하나인 전기화학센서는 고감도로 신속하게 검출할 수 있지만, 측정원리 상 전위가 비슷한 물질들은 구분이 어렵기에 정확성이 떨어진다는 단점을 갖는다.

 

KRISS 소재융합측정연구소 유은아 책임연구원은 미국 버지니아 공대와 공동연구를 통해 초고감도로 도파민을 정확하고 정량적으로 검출할 수 있는 디지털 표면증강라만분광(SERS)* 센싱 플랫폼을 개발했다. 이는 세계 최초로 제시한 새로운 형태의 나노구조기반 디지털 센싱 플랫폼이다.

 

  * 표면증강라만분광 (surface-enhanced Raman spectroscopy, SERS): SERS는 금이나 은 같은 플라즈모닉 금속 표면 위에 붙은 분자들의 증폭된 라만 산란효과를 이용해서 분자 검출 혹은 특성을 분석할 수 있는 기술

 

공동연구팀은 3차원 나노구조 층과 검출대상인 도파민을 선택적으로 인식할 수 있는 분자로 개질된 금 나노입자를 이용해, 도파민이 붙게 되면 강한 SERS 신호를 낼 수 있는 Hotspot* 구조를 만들었다.

 

   * Hotspot: 금이나 은 같은 플라즈모닉 금속이 서로 매우 가깝게 있을 때(보통 수 나노미터 이내) 생기는 매우 강한 전자기장 영역으로, Hotspot 안에 분자가 있을 때 매우 강한 SERS 신호를 얻을 수 있음

 

나노구조 금 표면 위에 도파민이 붙은 곳을 인식하는 금 나노입자로 인해 Hotspot에서 발생한 강한 SERS 신호가 나오는 곳을 ‘on’으로 없는 곳을 ‘off’로 세는 디지털 신호 분석을 수행했다. 이를 통해 정확한 검출이 어려웠던 1 pM까지 초고감도·선택성·정량성을 확보하며 도파민을 검출하는 데 성공했다.

 

KRISS 소재융합측정연구소 유은아 책임연구원은 “이번 기술은 실제 사람의 뇌척수액 등의 임상 시료에 바로 적용할 수 있어 응용성이 크다”라며, “향후 알츠하이머, 코로나19 바이러스 등과 같은 질병 및 감염병 관련 물질을 극저농도에서 고신뢰도로 정량 검출하는 기술을 개발할 예정”이라고 밝혔다.

 

산업통상자원부 정밀의료기술 초융합 상용화지원 플랫폼 구축 사업과 KRISS 주요사업의 지원을 받은 이번 연구성과는 나노분야의 세계적 전문학술지인 나노스케일(Nanoscale, IF: 7.790)에 11월 표지 논문으로 게재됐다.

 

붙임1

연구성과 추가 설명

 

 

용어

○ 표면증강라만분광 (Surface-Enhanced Raman Spectroscopy, SERS)

SERS는 금이나 은 같은 플라즈모닉 금속 표면 위에서 증폭된 라만 산란효과를 이용해서 분자 검출 혹은 특성을 분석할 수 있는 기술이다.

 

○ Hotspot

금이나 은 같은 플라즈모닉 금속이 서로 매우 가깝게 있을 때 (보통 수 나노미터 이내) 생기는 매우 강한 전자기장 영역으로서, Hotspot 안에 분자가 있을 때 매우 강한 SERS 신호를 얻을 수 있다.

 

○ 바이오마커(biomarker)

질병 관련 상태와 관련된 몸 안에 있는 생체분자로서, 이들의 양의 변화에 따라 질병 상태 진단 혹은 치료 효과에 대한 모니터링을 할 수 있다.

활용 분야

본 연구는 유사 뇌척수액에서 해당 센싱 플랫폼을 개발하여 유효성을 확인한 연구인데, 실제 임상 시료(사람의 뇌척수액)에 적용할 수 있는 센싱 기술이다. 또한, 이 기본 원리를 이용하여 다양한 질병 관련 바이오마커를 정량 검출하는 데도 사용될 수 있다. 

에피소드

미국 버지니아 공대 Wei Zhou 교수가 3년전 한국에 방문해 세미나 발표를 한 당시, KRISS 유은아 박사와 공동연구 가능성에 대해 논의하였다. 버지니아 공대에서 KRISS에 3차원 나노구조 어레이를 제공했으며, KRISS에서는 이를 바탕으로 실제 검출이 가능할 수 있는 다양한 바이오마커를 탐색하고 표면개질 가능한 인식요소 및 검출 신호를 낼 수 있는 전략을 제안하였다. 이후 실제 구현 가능한 실험조건을 시행착오를 통해 찾아가면서, 토의 및 조율이 필요할 때는 미국 연구진과 이메일, 전화미팅, 화상미팅 등을 통해 소통하면서 3년 넘는 기간의 개발 노력 끝에 최종 얻게 된 연구성과이다.

관련 사업

- KRISS 주요사업

 첨단의료용 나노기술기반 바이오센싱 측정 표준 플랫폼 개발 (유은아)

 

- 산업통상자원부

 정밀의료기술 초융합 상용화지원 플랫폼 구축

논문 정보

- 논문 제목

“A  digital  SERS  sensing  platform  using  3D nanolaminate  plasmonic  crystals  coupled  with  Au nanoparticles  for accurate  quantitative  detection of  dopamine” Nanoscale (2021, IF: 7.790)

 

- 논문 주소: 

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/nr/d1nr03691b

 

 

 

▲ KRISS 연구팀이 공동개발한 디지털 표면증강라만분광(SERS) 센싱 플랫폼

1) 왼쪽 이미지: 저비용으로 대량생산이 가능한 나노갭이 수직으로 적층된 3차원 나노구조 어레이(3D nanolaminated plasmonic crystals, NLPC) 

 

2) 가운데 이미지: 3차원 나노구조 어레이(NLPC)에 도파민이 붙었을 때 이를 선택적으로 인식하는 금 나노입자가 Hotspot을 만들면서 강한 SERS 신호를 방출하게 됨

 

3) 오른쪽 이미지: 도파민이 붙은 센서기판을 라만 측정해서 얻은 SERS mapping 결과(상단)를 디지털 신호 분석을 하게 되면 on/off 두 가지 상태의 mapping 분석결과(가운데)를 얻게 되고, 이를 바탕으로 농도에 따른 ‘on’ 개수를 카운트하면 극저농도에서도 정량성을 보이는 결과(하단)를 얻게됨

 

 

 

붙임2

사진 자료

 

 

 

▲ KRISS 소재융합측정연구소 유은아 책임연구원이 

도파민 농도 분석 방법을 설명하고 있다.

 

 

 

 

▲ 표지 논문(Front Cover) 이미지

 

 

 

 

 

붙임3

연구팀 프로필 – 유은아 책임연구원

 

 

 

1. 인적사항

 ○ 성 명 : 유은아 

 ○ 소 속 : 한국표준과학연구원 소재융합측정연구소 나노바이오센서팀

 ○ 직 위 : 책임연구원/팀장

 

 

 

 

 

2. 경력사항

 ○ 2012 – 2013, LG 화학 기술연구원, CRD 연구소 과장 

 ○ 2013 – 2020, 한국표준과학연구원 선임연구원  

 ○ 2021 – 현재, 한국표준과학연구원 책임연구원 

  

3. 전문 분야 정보

 ○ 나노구조 기반 바이오 응용 측정 (나노바이오 분야)

 

4. 발표논문 및 특허

 ○ “A  digital  SERS  sensing  platform  using  3D nanolaminate  plasmonic  crystals  coupled  with  Au nanoparticles  for accurate quantitative  detection of  dopamine”, Nanoscale (IF = 7.790) 등 SCI급 다수

 ○ "표면 증강 라만 산란용 라만 활성 입자 및 이의 제조방법”등 국내외 특허 다수