바이오센서란? 원리, 활용과 기술동향
바이오센서는 생체 정보를 감지하고 이를 전기 신호로 변환해 질병 조기 진단, 약물 전달 등 다양한 분야에서 활용되는 분석 장치입니다. 의료, 환경, 식품 분야 등에서 사용되며, 의료용 바이오센서는 질병 진단과 맞춤형 치료에 중요한 역할을 합니다. 특히, 웨어러블 기기와 결합되어 실시간 건강 모니터링을 가능하게 하고, 환경 오염 감지 및 식품 안전 개선에도 활용됩니다. 최근 분자진단 기술이 정밀도와 처리 속도 면에서 주목받고 있으며, 유전자 분석으로 감염성 질환, 종양, 유전질환 진단이 가능해지면서 바이오센서의 응용 범위가 확대되고 있습니다. 앞으로 다양한 분야에서 더욱 혁신적으로 발전할 것으로 기대됩니다.
바이오센서란 무엇인가?
센서(Sensor)란 물리적인 값을 측정하여 그 값을 관찰자가 읽을 수 있는 형태의 신호로 바꾸어주는 장치를 의미한다. 이와 유사하게 바이오센서(Biosensor)도 생체로부터 물리적 혹은 화학적 정보를 감지하고, 측정해서 유용한 정보를 획득할 수 있는 신호로 변환하는 장치를 말한다. 현대사회의 의료의 패러다임이 치료를 넘어 예방과 진단 중심의 정밀의료로 전환되면서 바이오센서는 의료분야에서 필요성이 급격히 증가하고 있으며 의료 외에도 환경, 식품 등의 다양한 분야에서도 주목받고 있습니다. 기술적으로 바이오센서는 진단 한계를 낮춰 질병의 조기 진단이 가능하게 하고, 약물 배달체로 사용되는 등 정밀의료의 기반이 되는 진단과 맞춤형 치료의 핵심기술로 떠오르고 있습니다. 게다가 각종 환경 호르몬에 선택성을 가지고 있어서 낮은 농도까지 감지할 수 있는 바이오센서는 환경적 문제의 해결에도 도움을 주고 있으며, 사린, 탄저균과 같은 대량 살상용 생화학 무기를 감지할 수 있는 바이오센서는 군사적 측면에서도 사용되고 있습니다. 현재는 극미량의 물질을 검출하거나, 대용량의 시료를 자동으로 연속 검출하고, 시료 전처리를 단순화하여 현장검사 또는 신속 진단 검사가 가능한 바이오센서의 개발이 가속화됨에 따라 그 사용처가 일상으로까지 확대되고 있다. 그 대표적인 예가 바로 코로나 진단키트입니다.
기본 원리와 주요 구성요소
바이오센서는 생물학적 신호를 전기적인 신호로 변환시켜주는 변환기를 이용해서 특정한 바이오-분석 시료를 감지하기 위한 생체 인식요소를 포함하는 분석 장치입니다. 이런 분석 장치를 통해 분석 시료를 실시간으로 신속하고 정확하게 처리해서 재현성 있는 정보를 제공하는 목적으로 사용됩니다. 가장 이상적으로 바이오센서는 연속적이고, 가역적이며, 샘플을 손상시키지 않으면서 분석이 가능해야 합니다. 현재 바이오센서는 의학, 식품안전, 농업, 국토 안보, 환경, 응용 미생 실험 그리고 산업 모니터링에서 중요한 분석 수단으로 자리 잡고 있습니다. 바이센서는 생체감지 물질(Bioreceptor), 변환기, 그리고 신호변환 장치 등 크게 3 가지 요소로 구성된다. 감지 요소는 특정 생물학적 물질과 상호작용하여 화학적 변화를 감지하고, 변환 장치는 감지된 것을 전기적, 광학적 또는 기계적 신호로 변환합니다. 예를 들어, 혈당 측정을 위한 글루코스 센서는 효소를 이용해 혈액 속 포도당 농도를 감지한 후 이를 전기적 신호로 변환하는 것입니다. 생체에서 인식되거나 감지된 물질은 보통 목표로 하는 분석 시료를 감지할 수있는 고정된 생물 성분으로 구성됩니다. 항체, 핵산, 효소(Enzyme),그리고 세포 등이 주요한 생물 성분입니다. 분석 시료와 생체 감지 물질 사이의 반응은 새로운 화학물질의 생산, 열의 방출, 전자의 흐름, pH 혹은 질량 변화와 같은 화학적인 변화를 가져옵니다. 이러한 생화학 신호는 변환기에 의해서 전기적인 신호로 전환되고 이 전기적인 신호는 증폭되어 초소형 분석 장치(Microelectronics)나 데이터 처리 장치로 보내지게 됩니다. 측정 가능한 신호는 디지털 디스플레이로 표현되게 됩니다. 바이오센서의 다양한 응용을 위해서 다양한 요소들의 양적/질적인 특정한 분석을 위한 샘플, 그리고 빠르고 시약이 필요 없는 방법들이 필요합니다.
활용분야는?
최근 바이오센서 기술은 나노기술, 인공지능, 웨어러블 기기 등과 융합되면서 크게 발전하고 있습니다. 특히, 나노입자를 활용한 바이오센서는 감지 민감도를 높여 매우 낮은 농도의 생체물질도 정확히 분석할 수 있습니다. 또한, 웨어러블 기기에 적용되는 바이오센서는 실시간 건강 모니터링을 가능하게 만들어 헬스케어 산업에 혁신을 불러오고 있습니다. 대표적인 예가 지금은 누구나 차고 다니는 스마트 워치도 바이오센서와 접목된 기기입니다. 스마트워치에 내장된 심박수 모니터와 같은 센서는 사용자의 일상적인 건강 데이터를 수집해 개인 맞춤형 건강 관리 서비스를 제공하고 있습니다.
환경오염 분야에서도 쓰이고 있습니다. 환경호르몬, 폐수의 BOD, 중금속, 농약 등의 검출을 위해 바이오센서가 활용되고 있습니다. 특히 다이옥신 등과 같은 각종 환경호르몬에 선택성을 지니며 초저농도를 감지할 수 있는 센서의 개발에 많은 노력이 이루어지고 있습니다. 환경오염 분야는 그 지리적인 범위가 넓고 외부에서 이동하면서 측정이 가능하여야 하기 때문에 현장진단에 적합한 바이오센서의 개발이 대두되고 있습니다.
식품분야에서는 식품의 품질에 대한 규제가 강화되고 있기 때문에 보다 저렴하면서도 신뢰도가 높고 사용자의 편의성을 높인 바이오센서가 개발되고 있으며, 이에 따라 시장규모도 확대되어 가고 있습니다. 특히 식품 안전에 대한 관심이 높아지고 있는 현대사회에서 식품에 존재하는 유해 미생물을 사전에 감지하는 것이 중요해지고 있습니다. 식품의 오염을 사전에 감지해서 식중독과 같은 문제가 발생하지 않도록 사전에 예방하는 데 쓰이고 있습니다.
바이오센서가 여러 분야에서 많이 활용이 되고 있지만 그래도 현재까지 수요가 가장 많은 곳은 의료분야인 것은 분명합니다. 의료쪽의 수요가 계속 증가하고 있어 향후에도 의료용 바이오센서가 바이오센서 관련 산업 성장을 이끌 것으로 예상하고 있습니다. 의학적인 측면에서 바이오센서는 질병 등의 조기 진단이 가능하게 하고, 특정 항원을 타겟으로 하는 센서를 통해 약물 배달체로 사용되는 등 임상진단 및 의료 분야에 중요한 기술 중의 하나입니다. 바이오 물질에 선택성과 특이성이 있는 바이오수용체가 지속적으로 개발됨에 따라 바이오센서는 단순한 화학분자 외에도 단백질, 혹은 특정 DNA, RNA와 같은 고분자를 고감도로 정확하게 검출할 수 있게 되었으며, 세포 레벨로 기술이 확장되어 특정 암세포나 줄기세포까지 감지할 수 있게 되었습니다.
최근 기술 동향은?
최근 다크호스로 떠오르는 바이오센서는 분자진단(Molecular Diagnostics) 관련 바이오센서입니다. 분자진단은 다른 분석방법에 비해 정밀도가 높고 처리 시간이 빠르기 때문에 엄격하고 까다로운 가이드라인에도 불구하고 응용분야가 빠르고 넓게 확장되고 있습니다. 1994년 미국의 Affymetrix사의 DNA칩은 유전자 분석을 통해 질병을 진단하는 분자진단이 가능하게 하여 바이오센서 관련 기술에 큰 혁신을 가져왔습니다. DNA, RNA 등으로부터 유전자 관련 정보를 직접 추출 및 분석하여 질병 감염 여부를 확인하는 기술인 분자진단은 체내, 특히 세포 내에서 발생하는 다양한 생리적 현상을 분자 수준에서 관찰이 가능하여 기존 진단기술보다 민감도가 높은 장점을 가지고 있습니다. 분자진단 기술은 감염성, 종양 및 유전질환 검사 등에 활용되며, 이 중에서도 혈액, 타액, 소변 등 인체로부터 채취한 인체 유래물에서 바이러스, 박테리아 등의 감염성 질환 원인균을 검출하는 검사에 널리 활용되고 있습니다. 이를 통해 임상화학, 면역학, 미생물학적 방법으로 검사되던 항목들이 분자진단법으로 대체되고 있어, 기존 진단 기술로 검사할 수 없었던 진단을 유전자 검사를 통해 가능하게 됨에 따라 향후 활용분야가 더욱 넓어질 것으로 전망되고 있습니다.