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NEW 안영환 교수, 메타물질 이용한 미생물 검출 센서 개발
- 2014-06-24
- 19705
<안영환 교수(물리학과, 에너지시스템학과)>
안영환(에너지시스템학과/물리학과) 교수팀이 테라헤르츠파에서 작동하는 메타물질을 이용해 곰팡이, 박테리아 등의 미생물을 빠르고 쉽게 검출해 낼 수 있는 센서 개발에 성공했다. 센서는 수초 이내에 곰팡이나 박테리아 같은 미생물들을 존재유무 뿐만 아니라 종류까지 감별해 낼 수 있다. 센서에 이용된 메타물질은 자연에서 존재하지 않는 전자기적, 광학적 성질을 갖도록 인공적인 구조체 배열을 통해 만들어진 물질로서 구조에 따라서는 투명망토, 음의 굴절률 등도 구현 가능해 많은 주목을 받고 있다. 연구결과는 한국과학재단의 중견연구자사업(핵심)을 통해 지원되었으며, “Detection of microorganisms using terahertz metamaterials”라는 제목으로 네이처 출판그룹의 사이언티픽 리포트(Scientific Reports)지 온라인판에 지난 5월 게재되었다.
곰팡이, 박테리아, 바이러스와 같은 유해 미생물들에 의한 질병이 급증하고 있는 가운데 미생물을 빠르고 정확하게 검출하는 기술에 대한 요구가 높아지고 있다. 하지만 미생물을 직접 검출할 수 있는 바이오센서 연구는 매우 미진한 상황이다. 현재로서 배양법이 가장 일반적인데 정확도면에서는 우수하지만 시간이 오래 걸리고, 실험실 환경이 갖춰져야 하며 상당한 숙련도가 필요하다는 단점이 있다.
안 교수팀은 테라헤르츠파에서 작동하는 메타물질이 구조적 특성상 마이크로미터(머리카락의 100분의 1) 크기의 물질에 민감하게 반응한다는 점에 착안해 센서를 만들었다. 물질의 크기가 너무 크거나 작으면 센서가 작동하지 않는데 미생물의 크기가 마이크로미터로 검출에 유리한 최적의 크기이기 때문이다.
테라헤르츠파에서 작용하는 메타물질 센서는 굴절률 변화를 통해 미생물의 유무는 물론 종류까지 판단해낼 수 있다. 기존의 배양법과 달리 극소량의 미생물만으로도 수초 이내에 검출이 가능해 시간, 환경, 숙련도 등의 제약을 받지 않는다. 논문에서 이미 곰팡이(페니실린, 효모, 흑국균 등), 박테리아(대장균, 유산균 등)와 같은 보편적인 미생물을 높은 감도로 측정해 검출 대상에 대한 제약도 거의 없다. 또한 센서를 항체(anti-body)로 조작하여 특정 미생물에만 선택적으로 반응하도록 해 유해 미생물만 검출하는데도 성공했다.
특히, 식품의 이물질 유무를 검사하기 위해 X-ray가 많이 쓰이고 있지만 방사능 피폭이나 검출물의 손상 때문에 테라헤르츠파가 주목을 받고 있으나 액체에 강하게 흡수되는 성질때문에 한계를 보여 왔다. 안 교수팀의 센서는 이러한 제약이 극복되어, 수중에 존재하는 다양한 박테리아 및 바이러스 검출에도 효율적이다.
안영환 교수는 “사물이 안보이도록 하는 메타물질이 오히려 미생물은 더 잘 보는 역설적인 결과이며 미생물을 검출하는 시도는 처음이다.”라고 말했다. 또 “지금은 테라헤르츠파 광원이 비싸 당장 보급은 어렵지만 후속 연구를 통해 실용화 시기도 곧 다가올 거라 생각한다.”고 말했다.
한편, 이번 연구는 에너지시스템학과 박사과정인 박세준 군이 제1저자로 실험과 이론계산을 수행했으며 생명과학과 김혜선 교수팀에서 곰팡이와 박테리아 시료를 제공했다.
관련기사 : 매일경제(2014.6.24), 매일경제(2014.6.26)
<그림1> 테라헤르츠파 메타물질 센서를 이용한 미생물 검출과정을 도식화
<그림2> 메타물질에 포획된 곰팡이(푸른곰팡이)의 전자현미경 사진