바이오 센서

 

1. 바이오센서의 원리와 응용

1) 서 론

 

우리 인간은 많은 감각기관을 가지고 있어서 오감은 물론 아픔이나 물론 아픔이나 온도감지 등 외부에서 오는 여러 가지 자극을 감지한다. 이렇게 감지된 자극은 뇌에서 이미 경험에 의하여 교육된 자극자료와 비교함으로써 미묘한 맛이나 향의 변화 등을 인지하게 된다. 이러한 기능을 생명체에서는 감각기관이라고 하고, 기계나 기구에서는 센서라고 한다. 생물기능을 모사하여 전자 공학을 응용함으로써 외부로부터 받은 물리·화학적 자극을 감지 할 수 있는 생명소자를 보통 바이오센서라 한다. 그러나 바이오센서 라는 말이 널리 사용되면서 그 개념이 확대되었다.    

 

① 효소, 미생물, 동식물의조직등 생체물질을 이용한 센서

② 생체에 적용할 수 있는 센서

③ 셍체기능의 메커니즘을 모방한 센서들을 통칭.

 

센서는 목적하는 물질의 존재 유무 또는 농도에 따라 물리적인 변화나 화학적인 반응 재현성 있게 일어나도록 하고 이를 비례적으로 감지하여 전기적 신호로 변환하여 수치화 하는 기기라 할 수 있다. 바이오센서는 가스센서나 이온 센서와같이 화학물질을 검출하는 센서이다. 화학센서 일종으로서 분류되고 있다. 일반적인 화학센서와 차이는 생체물질을 교묘히 이용하는 점에 있다. 바이오센서의 다음과 같은 뛰어난 특성은 생체물질을 이용함으로써 생겨난다.

 

① 측정 대상에 대한 선택성이 탁월하다.

② 상온,상압 등 매우 온화한 조건에서 작동한다.

③ 감도가 매우 예민하다.

 

이러한 것은 모두 생체물질이 아니고서는 안되는 특기이다 생체물질 이외의 센서 재료 이상의 모든 특성을 충족시키기는 매우 어렵다. 편리하고 새로운 분석기술은 가능한 한 시료의 복잡한 전처리 공정이 생략되고, 혼합물상태에서 목적물질을 동정하고 정량할 수 있어야 하며, 사용이 간편하고 값이 싸야 한다. 이러한 면을 충족하고 있는 것이 바이오센서를 이용한 분석법이다.

 

2) 바이오센서의 원리

바이오센서라 함은 주로 효소, 균 동식물의 조직 등 생체물질을 이용한 센서에 초점을 두자.센서는 크게 두 부분으로 나뉘어져 있다.먼저 특정 분자를 인식하고 그 농도에 비례하여 물리 . 화학적 변화를 일으키게 하는 부위와 이들 물리. 화학적 변화를 전기신호화는 부위이다. 시료 속의 특정분자를 선택적으로 인식할 수 있으면, 분리경제를 번거롭게 하지 않아도 된다.

 

<그림1>

그림1에서 보듯이 분자인식부위가 특정 분자하고만 선택적으로 결합이 이루어지고 물리. 화학적 반응에 의하여 전기적으로 쉽게 검출할 수 있는 새로운 물질이 생성 또는 감소하거나, 열 , 광 등을 발생할 때 이에 상응하는 적당한 검출기를 부착하여 센서를 구성한다. 바이오센서는 분자인식부위에 효소나 동식물의 조직을 이용한다. 효소는 기질특이성이 뛰어나 혼함물 속에서도 특정분자하고만 선택적으로 반응한다.

 

예) glucose는 glucose oxidase (GOD)에 의하여 다음과 같이 산화된다.

 Glucose + O₂-----> gluconic acid + H₂O₂

 

이 반응에서 소모되는 산소량을 측정하거나, 생성하거나, 생성되는 gluconic acid 또는 H₂O₂를 검출하면 간접적으로 glucose의 농도를 측정할 수 있다.따라서 산소전극 상에 GOD를 고정화하면 glucose와 반응한 산소의 농도를 측정함으로써 glucose를 측정할 수 있는 glucose 센서가 된다.

 

<그림 2>

그림2에 산소전극과 효소공정화된 막을 이용하여 이렇게 기질의 농도를 측정하는가를 나타낸다. 용액 속에 녹아 있는 용존산소가 기질의 산화반응으로 소모되게 되면 산소전극으로 확산하여 도달하는 용존산소의 양은 기질의 산화반응이 없을 때보다 훨씬 적게 된다.즉 산화되는 기질의 농도에 비례하여 변화하는 응답신호로 기질의 원래 농도를 측정할 수 있도록 하면 기질에 상응하는 센서가 된다.이들의 기본구성과 측정 대상의 예가 표1에 나와있다.

 

 

 

(표 1) 바이오센서의 연구 사례 

바이오센서	리 셉 터	트랜스 듀서	피측정 물질
효소 센서	효소막	O2투과막/Pt캐도드/Ag애노드 H2O2투과막/Pt캐도드/Ag캐도드 H+감응 유리막 /Ag-AgCl  C02투파막/H+감응 유리막/Ag.	요산,글루코스, 모노아민, 중성지질,페니실린, 아노미산
오르가넬라 센서(세포내 소기관)	미토콘드리아 전자전달 입자막	O2투피막/Pt캐도드/Ag애노드	NADH
미생물 센서	미생물막	O2투과막/Pt캐도드/Ag애노드 H2투과막/Ni-pd애노드,캐도드 H+감응 유리막 /Ag-AgCl  C02투과막/H+감응 유리막/Ag	글루코스,자화당,초산, 나이스타틴,메탄,의산 글루타민산,리진
면역센서	향원막  또는  향체막	Ag.AgCl O2투과막/Pt캐도드/Ag애노드	매독향체,혈행형 알부민

 

 

2.  여러 형태의 바이오센서와 사용 예

바이오센서는 생체 관련물질을 막에 포괄 또는 고정화하여 그것을 전기화학장치에 연결시킨 장치로서 분석하고자 하는 시료를 생체촉매에 흡착하여 복합체를 형성한 다음 일어나는 상호화학, 전기화학반응 등에 의하여 형성되는 전자 또는 전류, 가스(O₂, CO₂, NH₃ 등), 수소 이온농도, 열 등을 물리적 신호로 전환시킨 다음, 증폭장치를 통해 확대시켜 기록계, 검출기 등에 의하여 정량할 수 있도록 만들어진 장치이다.

 

<그림3>

그림3에서 보는 바와 같이 신호변환기(transducer)의 생체촉매로서 주로 효소나 미생물 또는 면역체 등 biological element를 사용하게 되어 이를 바이오센서라 부른다. 다음에서는 주로 효소센서를 제외한 여러 형태의 바이오센서에 관하여 알아보자

 

1) 미생물 센서

효소는 일반적으로 가격이 비싸고 불안정하므로 안정한 화학 센서가 여러 분야에서 요망되어 왔다. 대부분의 경우 효소는 미생물로부터 추출, 정제되고 미생물 자체는 다수의 효소를 포함하고 있다. 따라서 효소 대신 미생물 자체를 분자식별 소자로 이용하는 미생물 센서는 경제적이고 안정성도 우수하기 때문에 공업 프로세스, 환경 계측에 응용되어 주목되고 있다. 여기에서는 미생물 센서의 원리와 응용에 대해서 알아보자.        

 

(표3) 미생물 센서의 장단점

장   점	단   점
효소를 분리 정제하여 사용하지 않으므로 가격이 싼 편이다.	감응시간(response time)이 길다.
pH나 각종 염류에 대한 저해 정도가 상대적으로 적은 편이다.	다음 분석을 위한 recovery time 이 길다.
오래 동안 사용할 수 있다.	많은 종류의 효소들이 내포되어 있어 선택성이 떨어진다는 점이다.

 

1-1) 전극을 이용한 센서

미생물의 호흡과 대사 기능을 이용하면 화학 물질을 선택적으로 식별할 수 있다. 미생물 센서는 다른 바이오센서와 마찬가지로, 미생물 고정화막과 전극으로 구성된다. 즉, 미생물을 분자식별 소자로 사용하기 위해서는 이것을 물에 녹지 않는 고분자막에 고정화할 필요가 있다. 미생물을 고정화함으로써 기능이 안정화되어 장기간 반복하여 사용할 수 있다. 미생물 센서의 경우, 고정화 상태에서도 살아 있는 미생물을 이용할 때가 많고 센서에 관여하는 생화학 반응은 일반적으로 복잡하다. 미생물의 호흡활성을 지표로 하는 센서를 호흡 측정형 센서라고 한다.

 

<그림4>

호기성의 미생물은 호흡에 의해 산소를 소비하므로 격막 산소전극을 이용하여 미생물의 호흡 활성을 측정할 수 있다. 예를 들면, 시료액 중에 미생물의 호흡을 촉진 또는 억제하는 물질이 존재하는 경우에 미생물 고정화막을 격막 산소 전극의 가스 투과성막 위에 부착하여 제작한 미생물 센서를 시료액 안에 넣으면 호흡 활성을 지표로 특정한 화학 물질을 측정할 수 있다. 유기 화합물이 존재하지 않는 포화 용존 산소 상태의 시료액 중에 센서를 넣으면, 미생물막에 확산하는 산소가 미생물의 호흡으로 소비되고, 남은 산소 사이에 평행 성립하여 정상 전류값이 얻어 진다. 이 때 얻어지는 진류값은 포화 용존 산소 때의 격막 산소 전극 자체의 전류값 보다 낮다. 미생물의 대사 작용에 의해 대항 물질이 전극활성 물질을 측정할 수 있다. 이와 같이 대사산물을 지표로 하는 형식의 센서를 전극 활성 물질 측정형 센서라고 한다.(그림5)

 

  <그림5>

예를 들면, 수소 생산균 공정화막을 연료 전지형의 양극 전극표면에 부착하여 미생물 센서를 제작할 수 있다. 연료 전지형 전극이라, 백금 전극을 양극으로, 과산화은 전극을 캐소드로, 인산완충액을 전해액으로 사용하고 이온 교환막의 액락을 가지고 있는 전극으로 양극에 수소 등이 반응하면 전류값이 얻어진다. 이 미생물 센서를 유기물을 포함하는 시료액 안에 넣으면 수소 생산균에 의해 유기물이 반응하여 수소가 생성된다. 이 때 생성된 수소는 젤막 안을 확산하여 백금 전극 표면에서 산화되기 때문에 전류값은 서서히 증가한다.

 

그러나 유기물의 확산 속도가 정상 상태가 되면 수소 생성 속도도 정상 상태로 된다. 즉, 용액으로부터 유기물의 확산 속도와 미생물에 의한 유기물의 분해 속도 사이에는 평행이 성립하므로 전극 표면으로의 수소 확산 속도가 정상 상태가 되고, 정상 전류값이 얻어진다. 이 정상 전류값과 시료액 중의 유기물 농도와의 상관 관계를 이용하여 시료액 중의 유기 화합물을 측정할 수 있다. 다음에 이 미생물 센서의 응용 예를 설명 하려고 한다.

 

① 글루코오스 센서

박테리아 프소이도모나스 프레올렛센스는 글루코오스로 전극활성 물질을 생성하지만 다른 당류나 아미노산은 그다지 생성하지 않는다. 따라서 이 균을 천연 고분자의 콜라겐 막 중에 포괄 고정화하여 산소 전극 위에 부착함으로써 글루코오스 센서를 제작할 수 있다. 이 센서로부터 얻어지는 전류값과 글루코오스 농도와의 상관 관계를 이용하여 글루코오스 농도를 측정할 수 있다. 이 미생물 센서는 효소와 거의 같은 정도의 감도로 측정할 수 있다.

 

② 알코올 센서

효모의 일종인 트리코스포론 브라시카에는 알코올과 반응하는 균으로 알려져 있다. 이 미생물을 다공성 아세틸셀룰로오스 막에 흡착 고정화하여 산소 전극의 테플론 막 위에 부착하고 다시 가스 투과성막으로 피복하여 O-링으로 고정하면 알코올 센서를 제작할 수 있다. (그림6)

이 미생물 고정화 전극을 플로 셀에 장착하여 센서 시스템을 구성 하였다. 이 센서 시스템에 중성의 완충액을 연속적으로 흘려 보내면서 여기에 각종 농도의 에탄올 시료액을 주입했다. 에탄올은 가스 투과성막을 통하여 미생물막에 도달하여 미생물과 반응하기 때문에 미생물의 호흡 활성을 지표로 하여 에탄올을 측정할 수 있다.

 

③ 유기산 센서
Trichosporon brassicae에는 아세트산과도 반응하므로 알코올 센서를 이용하여 아세트산도 측정할 수 있지만, 이 경우 완충액의 pH를 아세트산의 pKa보다 낮게 유지 하여야 한다.즉, 아세트산의 pKa 이상에서는 아세트산은 이온으로 존재하여 가스 투과성막을 투과할 수 없기 때문에 pH 3의 완충액을 센서 시스템에 연속적으로 흘려 보내면서 아세트산을 포함하는 시료액을 주입하면 극소 전류값이 얻어진다. 이 때의 극소 전류값과 아세트산 농도와의 상관 관계를 이용하여 아세트산 농도를 신속히 구할 수 있다.    

 

한편, 포름산은 Clostridium butyricum 이라는 수소 생성세균 중의 hydrogenase에 의해 수소로 변화되는 것이 널리 알려져 있다. 이 미생물을 한천 등의 고분자 겔 matrix 중에 포괄 고정화하여 과산화은 캐소드, 백금  양극, 인산 완충액, 가스 투과성 테플론 막으로 구성되는 연료 전지형 전극 위에 부착한 후, 이것을 다공성 체플론 막으로 피복하여 포름산 센서를 제작했다. 이 센서를 포름산을 포함하는 시료액 안에 넣으면 정상 전류값이 얻어진다. 포름산 농도의 전류와의 상관 관계를 이용하여 포름산 농도를 고감도로 구할 수 있다.

 

④ 아미노산 센서

미생물 센서로 각종 아미노산 농도를 측정할 수 있다. 예를 들면, 글루탐산은 대장균 고정화막과 이산화탄소 전극으로 측정할 수 있다.(그림7)

 

 <그림7>

글루탐산의 a위치의 카르복실기는 대장균 중의 글루탐산 디카르복실리아제에 의해 분해되어 r-아미노부티르산과 이산화탄소를 생성하므로 이산화탄소 전극을 이용하여 글루탐산을 측정할 수 있다. 실제로 센서 시스템에 시료액을 주입하면 극대 전위차가 얻어지고, 이 극대 전위차의 글루탐산을 측정할수 있었다. 또, 미생물 헌탄액과 암모니아 전극을 조합한 센서로 L-리신, L-세린, L-아르기닌, L-아스파르트산, 글루탐산 등을 측정한 예도 보고 되어 있다.

 

 

⑤ 암모니아 센서

이미 암모니아 측정용으로 암모늄 전극과 암모니아 가스 전극이 실용화되어 있지만 전위 측정 방식이기 때문에 각종 이온과 휘발성 아민의 영향을 받는 문제점이 있다. 따라서 전류 측정값 방식에 의한 암모니아 센서의 개발이 요구되고 있다. 질화균은 암모니아를 질산으로 산화하는 미생물로 알려져 있고, 이 반응에서 산소가 소비된다. 그러므로 질화균 고정화막과 산소 전극을 조합하여 암모니아 센서를 제작할 수 있다.(그림8)

 

<그림8>

 

 

 

 

 

 

 

실제로 이 센서에 암모니아를 포함하는 시료액을 주입하면 전류값이 감소하고 이것을 자료로 하여 암모니아를 전류 측정 방식으로 측정할 수 있다. 이 암모니아 센서와 효소를 조합하면 응용 범위가 더욱더 넓어질 것으로 생각한다.

 

⑥ BOD센서

BOD(biological oxygen demand:생물학적 산소 요구량)는 국제적인 수질 오염 지표로서 일본 공업 규격으로 BOD의 측정법이 규정되어 있다. 이 방법은 조작이 복잡하고 측정 시간도 5일이나 요하는 등의 문제점이 있으므로 BOD의 온라인 측정이 매우 어려워 신속한 측정법이 요구되고 있다. 폐수 처리 시설에 자주 사용되는 효모인 트리코스포론 브라시카에를 다공성인 아세틸 셀롤로오스 막위에 흡착, 고정화한 후 산소 전극에 부착하여 센서를 제작하였다. 이 미생물 센서를 폐수에 넣으면 극소 전류값이 얻어지고, 이것은 폐수의 BOD값에 비례함을 알았다. 이 원리에 기초하여 미생물 센서를 이용한 폐수의 BOD 측정시스템이 제작되었다.(그림9)

 

 <그림9>

이 시스템으로 폐수의 BOD를 신속하고 연속적으로 측정할 수 있으며 현재 실용화되어 공장 폐수의 BOD측정에 이용되고 있다.

 

⑦ 변이원 센서

발암 물질의 대부분을 돌연 변이원이므로 미생물의 변이원성을 조사함으로써 발암 물질을 1차 스크리닝 할 수 있다. 실제로 살모넬라균을 이용하는 엠스 시험, 바실루스 섭틸루스균을 이용하는 렉 어세이 등의 방법이 개발되어 발암 물질의 1차 스크리닝, 즉 변이원의 1차 스크리닝이 행하여지고 있다. 그러나 이들 방법은 복잡한 조작과 장시간의 측정등 문제가 있으므로 신속한 변이원 측정용 미생물 센서의 제작을 시도 하였다.

 

예를 들면, 프로파지의 유발을 이용하여 화학 물질의 변이원성을 조사하는 시험 방법이 알려져 있다. 이 방법은 변이원성 물질에의 적용 범위가 넓고, 매우 신속히 측정할 수 있기 때문에 주목되고 있다. 대장균의 용원균 및 비용원균을 각각 산소 전극 위에 고정화하여 미생물 센서를 제작했다. 이 센서에 아크릴아미드 등의 변이원을 주입하여 변이원에 대한 응답성을 검토했다. 미생물 센서를 반응액 안에 넣어 전류가 정성 전류값은 변화하지 않는다. 전류값의 증가는 AF₂에 의해 프로파지가 유발되어 균체 내에서 증식하고, 대장균을 용균했기 때문이라 생각된다. 한편 비용원균 전극의 경우는 프로파지의 유발이 일어나지 않기 때문에 용균이 생기지 않고, 전류값의 변화가 없었던 것으로 생각된다. 용원화 대장균 전극의 전류의 증가 속도와 AF₂농도 와의 상관 관계를 이용하여 AF₂ 농도를 측정할 수 있었다.

 

이 센서에 미토마이산 , 4NQO(4-니트로퀴놀린N-옥시드), MNNG을 적용한 경우에도 AF₂에서와 같은 결과가 얻어졌다. 이와 같이 용원화 대장균을 전극에 부착하여 매우 신속한 변이원성의 1차 스키리닝이 가능하다.

 

같은 원리로 살모넬라균의 고정화막을 이용한 센서, 바실루스 섭틸루스의 DNA수복 기능 결핍성균의 고정화막을 이용하는 센서 (그림10) 등의 개발 되고 있고, 신속한 변이원 1차 스크리닝을 할 수 있었다.

 

<그림10>

⑧ 항생 물질 센서

항생 물질 여기는 마이크로바이오 어세이법으로 측정 등 문제가 있었다. 그래서 미생물 센서의 원리를 이용한 항생 물질 센서를 제작, 시도하게 되었다. 예를 들면, 폴리엔계 항생 물질인 나이스타틴은 효모 등의 세포막의 스테로이드에 결합하여 세포질막에 손상을 입혀 사멸시키는 것으로 알려져 있다. 따라서 사카로마이세스 세레비시에를 다공성 셀롤로오스 막에 흡착 고정한 후 산소 전극 위에 부착한 센서를 제작했다. 이 센서를 나이스타틴을 포함하는 시료액 안에 넣으면 나이스타틴이 효모에 작용하고 효모는 융해하여 사멸한다.

 

이것은 산소 전극을 이용하여 호흡 활성의 변화로부터 측정할 수 있다. 즉, 향생 물질에 따른 호흡계의 저해를 지료로 하여 나이스타틴의 역가를 측정할 수 있다.

 

이 밖에도 세팔로스 포린 유도체의 농도를 측정하는 세팔로스 포린 센서 그림11 와 페니실린 농도를 측정하는 센서 등이 개발되어 있다. 이와 같이 미생물 센서의 원리를 이용하여 항생 물질의 역가 등을 신속히 측정할 수 있다.

 

⑨ 그 밖의 전극을 이용한 센서

 

니코틴, 비타민B₁, 지질, 미생물 교수, 아질산, 이산화질소, 메탄 등을 측정하는 미생물 센서가 제작되어 있다. 앞에서 설명한 미생물 센서 및 이들 미생물 센서의 특성을 알 수 있다.  또한 안정한 미생물 센서의 개발을 목적으로 호열성 미생물을 스크리닝하여 센서의 소자로 이용하는 미생물 센서의 개발도 최근에 활발히 진행되고 있다. 예를 들면, 온천에서 불리한 이산화탄소 자화균과 산소 전극을 조합한 전류 측정 방식의 이산화탄소 센서가 알려져 있고, 잡식성 호열 세균을 이용한 BOD센서도 연구되고 있다. 이들 호열균을 이용함으로써 미생물 센서의 수명이 현저히 증가하였고, 고온에서 감도가 매우 높아 졌다. 이와 같이 미생물 센서의 연구는 현제 활발히 진행되고 있다. 이것은 미생물 센서가 매우 안정하여 공업 프로세스 환경 계측에 이용할 수 있기 때문이다.

 

1-2) 그 밖의 미생물 센서

최근 미생물을 ISFET 위에 고정화하여 분자식별 소자로 이용하기 위한 연구도 진행되고 있다. 예를 들면, 부티르산균인 클로스트리듐 부티르산균, 젖산균인 락토바실루스, 메탄 발효조 중의 유기산 생성균을 한천막에 고정화하여 ISFET 위에 부착한 글루코오스 센서가 보고되어 있다.

 

ISFET의 표면에 고정화한 후 이 센서를 테플론 막으로 피복했다. 이 센서를 알코올을 포함하는 시료액 안에 넣으면 알코올이 가스 투과성막을 통과하여 아세트산균에 확산되어 알코올이 산화되어 아세트산이 생성된다. 이 아세트산량은 ISFET의 게이트 전압의 변화로 측정할 수 있다. 이 센서를 이용하여 알코올 농도를 측정할 수 있다. 이 센서를 이용하여 알코올 농도를 측정할 수 있으나 아직 응답성 등의 문제가 있다. 또 미생물과 서미스터를 조합한 센서 시스템도 제작 가능하리라 생각되지만 이것에 대해서는 아직 보고된 바 없다.

 

한편, 광 측정 장치와 미생물을 조합한 센서 시스템의 개발도 활발히 진행되고 있다. 즉,     발광 세균, 특히 아미노산 요구성의 발광 세균을 이용하여 그 발광량을 광 측정 장치로 측정장치로 측정하여 미량의 아미노산 농도를 측정할 수 있다. 실제로 이와 같은 원리를 이용하여 아미노산 등을 측정한 예가 보고되어 있다.

 

위에서 설명한 것처럼 전극 이외의 물리화학 장치를 이용하는 미생물 센서의 개발은 아직 초기 단계에 불과하여 앞으로의 진전이 기대된다. 특히 새로운 미생물 기능을 반전하여 이들 물리화학 장치와 조합함으로써 더욱더 많은 화학 물질을 측정할 수 있는 미생물 센서의 제작이 가능하리라 생각된다.

 

2) 리셉터 센서

 

생체 내에서 화학 물질을 수용하는 리셉터는 특징 화학 물질을 고감도로 식별할 수 있으므로 리셉터를 분자 식별 소자로 이용하려는 연구가 진행되고 있다. 우리 몸의 미뢰나 후각 세포는 특수한 리셉터가 당이나 아미노산 등을 감지한다. 따라서 이들 리셉터를 지질 2중막 안에 포괄 고정화하여 각종 트랜스듀서와 조합하여 미각 센서, 후각센서의 모델을 만들 수 있다. 메기의 수염에 존재하는 아미노산 리셉터를 추출하여 지질 2중막 고정화 한 후, 다시 cellulose의 다공성 막 위에 흡착, 고정화한 막을 H형 셀 중간에 설치하여 막 전위를 측정하고 또 ISEET의 게이트 표면에 흡착 고정하여 리셉터 센서가 제작되었으나 재현성 있는 아미노산 센서를 제작하기에는 부족한 점이 많다. 그러나 L-alanine에 특이적으로 응답하지만 D-alanine에는 전혀 응답하지 않는 특성을 지니고 있다. 리셉터 자신이 불안정할 뿐만 아니라 지질 2중막 등의 박막 형성 기술이 아직 초보 단계이기 때문에 재현성 있는 리셉터 센서를 제작할 수 없는 것이다. 그러나 앞으로의 연구 진전이 기대되고 있는 분야이다.

 

3) 세포 소기관 센서

 

세포 소기관(organella)은 고도의 기능이 집약된 분자 집합체이고 또 고도의 조직화된 복합 효소계이므로 이것을 교묘히 이용하여 매우 특이적인 센서를 제작할 수 있을 것이다. 따라서 세포소기관을 이용한 일련의 효소 반응을 교묘히 이용하여 분자를 식별할 수 있다. 세포 소기관으로는 mitochondria, microsome, microbody, 리소좀 등이 알려져 있고 이들을 다공성 고분자막에 흡착 고정하거나 고분자 젤 막 위에 포괄 고정하여 분자 식별 소자로 이용할 수 있다. 이들 세포 소기관 고정화막과 전극을 조합한 것이 세포 소기관 센서이다.

 

Mitochondria의 내막에 존재하는 전자 전달 입자(ETP)를 한천 겔 막 안에 포괄 고정화하고 산소 전극 위에 부착하여 세포 소기관 센서를 제작한다. NADH는 ETP와의 연속반응으로 산화되고 최종적으로 전자가 산소로 전달되어 물이 생성된다. 따라서 이 이련의 반응 중 최종 단계에 소비되는 산소를 측정하여 NADH를 측정할 수 있다. 또 이산화황은 황산화물의 주성분이고 이것의 측정은 환경 분야에서 매우 중요 하다. 이 센서는 이산화질소에는 응답하지만 다른 유기물이나 무기물에는 전혀 응답하지 않았다. 이와 같이 마이크로솜을 이용하여 센서를 제작할 수 있다.

 

4) 면역 센서

효소 센서는 저분자 화학물질의 측정에 이용되지만 단백질, 항원, 호르몬, 의약품 등의 고분자 측정에는 면역 반응을 이용한 면역센서가 활용되고 있다. 면역 반응의 특징은 항원과 항체사이의 특이적인 복합체의 형성이다. 이 현상을 이용한 면역 분석법이 이미 개발되어 응용되고 있는데, 이러한 현상을 이용한 면역 분석법에는 동위 원소, 형광probe, 효소 등을 표지제로서 이용한다. 특히 방사면역분석은 피코(10^-12g)까지 초미량 화학 물질의 측정이 가능하나, 동위원소를 사용하고 있기 때문에 radio-isotope의 오염, 방사능의 감염 등 안정성  에 특별히 조심해야 한다. 그 외에도 표지제를 이용하기 때문에 복잡한 조작과 더불어 장시간의 측정 시간이 소요되는 문제점이 있다. 이러한 이유에도 불구하고 신속, 간단한 분석방법으로 면역센서가 사용되고 있다.

 

4-1) 전극을 이용한 면역 센서  

이 센서는 항원. 항체 고정화막과 전극으로 구성된 것으로 막형 센서와 반응기형 센서로 분류된다. 막형 센서로는 항알부민 항체막을 부착시킨 cell로 구성된 HSA(human serum albumin)을 측정하는 면역 센서가 있다. 항체 고정화막은 중성에서 산성까지 양전하로 하전되어 있고, 단백질은 음전하를 띠고 있다. 이 cell의 한 방향에 항원을 포함한 시료용액을 주입시키면, 막 표면에서 항원 . 항체 반응이  일어나게 된다. 그 결과로 양전하가 감소하게 되고, 막 전위가 변화하게 된다. 이 때 막 전위 변화는 결합한 알부민 농도에 따라 비례하게 되는데, 이와 같은 원리를 이용하여 HSA 농도 측정, 매독 혈청의 진단 혈액형의 판정 등을 위한 센서가 개발되어 활용되고 있다. 그러나 항원 . 항체 고정화막에 혈청 성분이 비특이적으로 결합한다는 문제가 있어 이런 점을 고려하여 사용해야 한다.

 

면역 센서에 효소 면역 분석법의 원리를 도입한 효소 면역 센서가 있는데, 항체 고정화막을 부착시킨 산소 전극을 이용하면 항원의 측정이 가능하다. 즉 이 산소 전극을 항원 혹은 catalase로 표지한 항원과 반응시킨 후, 과산화수소 수용액 중에 넣어서 효소 반응에서 생성되는 산소량을 산소 전극으로 측정함으로써 항원의 농도를 계산할 수 있다.(그림12)

 

<그림12>

이와 같은 원리에 기초한 lgG등을 계측하는 센서가 개발되어 있다. 고정화 항체 혹은 고정화 항원을 반복 사용하기 위해 개발된 면역 반응기형 센서도 있다. 예를 들면 항 HSA를 ceramic 입자에 고정화하여 채운 반응기와 과산화수소 전극을 조합한 면역 센서 시스템이 연구되고 있다. HSA는 glucose oxidase를 표지 효소로 이용하여, 샌드위치 법으로 계측하고 있다. 이 면역 반응기형 시스템은 5회 반복사용이 가능하다.

 

이 밖에도 전기화학적인 원리에 기초한 면역 센서가 다수 보고 되고 있다. 전기화학적 수법으로 여기되는 축합 방항족 화합물에 항원을 표지하여 두면 항원. 항체 반응 후, 표지제와 전극 사이의 접촉이 억제되는데 이러한 현상을 이용하여, HSA를 측정할 수 있다. 그리고 등전점이 다른 면역 반응기에서는 면역 반응 전후의 서로 다른 하전 상태를 띠고 있다는 사실을 이용하여 적당한 pH의 유동액을 선택함으로써 유동 전위를 측정하여 항원-항체를 계측하는 새로운 면역 분석법도 있다. 리보솜 막 위에 항원을 유출되는 현상을 이용하여, 이때 유출되는 표지 선택성 전극으로 이용하여 측정하는 고감도 항원 물질을 사용하는 측정 시스템이 있다.

 

4-2) 광게측 디바이스를 이용한 면역 센서

Luminol은 과산화수소와 공존할 때 금속 착체나 금속효소 등의 촉매 작용에 의해 발광한다. 각종 산화효소의 반응에 의해 과산화수소가 생성되므로 산화 효소 반응과 루미놀 반응을 조합하면 발광량을 지표로 한 기질이나 oxidase의 활성 측정이 가능하다. 또한 발광현상을 지표로 하여 면역 분석에도 응용할 수 있다. 이러한 원리에 기초하여 가스트린의 계측이 하여 면역 분석에도 응용할 수 있다. 이러한 원리에 기초하여 가스트린의 게측이 가능하다. 가스트린은 17개의 아미노산으로 구성된 위장 호르몬의 일종으로, 1가항원이므로 표지 항원을 사용하는 경합법으로 측정할 수 있다. 센서 시스템은 그림13에서 보는 바와 같이  면역 반응기와 발광량을 측정하는 광 계측기로 구성되어 있다. 항가스트린 항체는 친화성 겔에 고정화시켜 반응기 내에 채워져 있으며 발광량을 연속적으로 측정하기 위해 광 계측기의 수광부에 glass관으로 제작한 나선형은 flow cell을 삽입되어있다. 가스트린 농도와 발광량 사이의 상관관계에서 가스트린 농도를 구할 수 있다.

 

<그림13>

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4-3) 영상처리 시스템을 이용한 센서

면역 분석에서 가장 간단한 방법은 항원 . 항체 반응에 기초한 응집 반응을 직접 육안으로 측정하는 방법이다. 미량의 항원이 항체와 반응하여 장량 가능한 양의 응집물을 생성하기에는 오랜 시간이 요구된다. 따라서 실용화하기 위해서는 응집 반응을 촉진시키는 것이 극히 중요하다. 이미 세포나 미생물 등 미립자의 현탁액 중에 전기 pulse를 가하면, 이들 미립자가 서로 연결되어 염주 상태로 되는 현상은 널리 알려져 있다. 이 현상은 전기장 아래서 입자들이 유전 분극되어 서로 정전기적인 인력에 의해 결합되기 때문이라고 생각된다.

 

Latex 입자와 항lgG를 반응시켜 항체 고정화 latex를 조제하여 같은 실험을 하면서 항체 고정화 latex와 lgG의 혼합 반응액에 전기 pulse를 가하여 사진 해석으로 응집률을 계산한다. 면역 센서 시스템을 pulse 면역센서라고 하며, 이는 면역 반응에 의해 응집체를 형성하는 입자들, 즉 항원이나 항체를 고정화시킨 latex와 균체의 혼합 반응액에 전기장을 인가하면 효율적으로 입자들이 응집하는 원리에 기초하고 있다.

 

응집률은  CCD(전하결합소자) 이미지센서와 컴퓨터를 이용하여 자동적으로 계산된다. 이상 영상 처리 시스템, 특히 CCD이미지 센서를 이용한 면역 센서에 대하여 설명하였다. 이들 센서를 바이오 이미지센서라고 하며, 종래에는 자동화되지 않았던 응집에 의한 면역 반응의 계측용 시스템으로 적용할 수 있다.

 

4-4) 요동 현상을 이용한 센서

항체와 항원을 표면에 고정화시킨 입자와 이에 대응하는 항원이나 항체를 반응시키면 복합체가 Brownian 운동이 감소하게 된다. 이 때 감소하는 Brownian 운동을 지표로 하여 평균 확산 계수를 레이저 산란광의 스펙트럼 변화에서 측정하면, 소정의 항원 혹은 항체를 정량할 수 있다. 이 방법은 표지 시약을 사용하지 않는다는 장점이 있으나, 장치가 대형이며 저감도 라는 문제점이 있다.

 

미립자에 의한 산란광의 강도 요동이 항원. 항체 반응과 밀접한 관계가 있음을 고려하여 이 현상을 이용하면, 면역 반응의 계측이 가능하다. 항원 . 항체를 표면에 고정시킨 tatex 등 미립자의 항원 . 항체 반응에 의해 발생하는 산란광의 강도 변화는 빛의 간섭에 의해 요동됨을 알았다. 이 산란광의 강도 요동의 스펙트럼 출력 밀도 요동을 측정한 결과, 항원 항체의 정량, 항원 . 항체 반응에 의한 미립자의 응집 상태, 입자 지름 분포 등 많은 유용한 정보를 얻을 수 있다.

 

이 시스템에서는 산란광을 광 계측기로 수광하여, 그의 출력 신호의 강도 요동을 측정하고 있기 때문에 표지 시약을 사용할 필요가 없으며, 산란광 스펙트럼을 분석하지 않기 때문에 분광계를 사용하지 않아도 된다는 장점이 있다.

 

5) 미각 센서

미각센서에 대한 연구는 생체와 같은 물질을 사용하여 생체를 모방한 시스템으로 미각 센서를 제작하려는 시도이고 또 다른 한 방법은 맛의 주성분을 측정하여 맛의 강도를 측정하는 방법이다. 예를 들면, 맛을 내는 주성분으로 글루탐산 나트륨, 이노신산 및 구아닐산이 널리 알려져 있다. 특히, 이노신산과 글루탐산의 상승효과는 파넬라에 의해 그 상관 관계의 식이 구하여져 있다. 따라서 글루탐산 센서, 이노신산 센서, 구아닐산 센서를 한 개의 flow cell에 삽입하여 세 종류의 화학물질의 농도를 측정하는 것이다. 글루탐산과 이노신산의 맛의 강도 식으로 맛의 강도를 계산하고 표시하는 것이다.

 

이미 시관 중인 많은 액체 식품을 이 센서 시스템으로 측정한 결과 대부분의 식품의 맛의 강도가 0.5～1.0의 범위에 있음을 토대로 세 종류의 화학 물질의 농도가 모두 어떤 일정로 판단된다. 그러나 이 경우에는 단지 세 종류의 화학 물질만 측정되고 있다. 식품이 맛에 관여하고 있는 화가 물질은 수백 종류에 달하고 있고 이들을 모두 측정하는 센서를 집적화라는 것은 극히 어려운 일이다. 이 경우에도 반도체 센서의 집적 기술이 이용될 수 있다고 생각되며 이와 같은 연구로부터 장차 미각 센서가 실현될 수 있을 것이다.

 

6) 후각 센서

단분자막과 단백질을 이용하여 냄새 물질을 측정하려는 바이오 리셉터 모델도 제작되고 있다. 즉 수면 위에 단분자막을 형상시켜 두고 물에 향료를 용해시킨다. 막을 구성하는 분자의 분자간 거리가 멀어지는 구조 변화가 일어나면 향료가 막이 공간을 통하여 포집 가스 안에 들어가 향기가 나게 된다. 리셉터에 특이적으로 흡착하면 막의 구조 변화가 일어나는 원리로 제작된 것이다. 이것은 초보적인 모델이지만 막 구조의 변화로 냄새 물질의 측정 가능성을 시사하고 있다.

 

환원성 가스에 대해서는 복수의 산화물 반도체 가스 센서를 집적하여 그 응답 패턴으로부터 냄새를 식별하고자 6종류의 센서 소자를 산화 알루미늄 기관 위에 집적하여 400～500℃로 유지시켜 냄새 물질을 투과시킨 결과 특이적인 패턴을 얻을 수 있었다. 이처럼 각 냄새에 대한 기준 패턴을 구한 후 검지 신호 패턴과 기준 패턴을 비교하여 식별하는 방법이다. 농도는 6소자 중 가장 감도가 좋은 소자에 의해 계산하였다. 8비트의 마이크로 컴퓨터를 이용하여 약 150종류의 냄새를 식별하였다. 복수의 냄새에 대해서는 이와 같은 패턴 분석법으로는 구별할 수 없지만 어떤 종류의 기체가 포함되어 있는가를 분석하는 것을 가능하다. 인간의 후각이 응답하지 않는 냄새도 존재하지만 이와 같은 후각 센서에 관한 연구도 생체를 모방하면서 착실히 진행되고 있어 장래에는 냄새와 맛의 측정이 가능한 바이오센서가 개발되리라 생각된다.

 

7) 동.식물의 세포 및 조직을 이용하는 센서

최근, 동물 세포의 배양 기술이 진전하여 대량 배양이 가능하게 되었다. 센서를 독극물을 지표로 세포에 대한 독성을 신속히 측정할 수 있었다. 이와 같이 동물 세포 혹은 식물 세포로 이용하여 독성과 변이원성을 신속히 측정할 수 있음을 알았다. 동 . 식물 조직 절편도 센서의 분자 식별 소자로 이용할 수 있다. 예를 들면 개구리의 표피에 나트륨 수송 시능, 나트륨 채널이 존재하고 있다. 따라서 청개구리의 표피를 H형의 유리 셀 중앙부에 장착한 후, 양쪽에 염화나트륨 수용액으로 이온 농도차를 두어 막전위가 생성되게 하였다. 이 시스템에 나트륨 이온을 첨가하면 그 농도에 대응하여 막전위가 변화하고 이것을 지표로 하여 나트륨 이온을 측정할 수 있음을 알았다. 동물 조직의 기능을 그대로 분자 식별에 이용할 수도 있다.

 

3. 바이오센서의 미래

 

1. 마이크로 바이오센서

 

바이오센서를 미소화하면 하나의 센서로 몇 종류의 화학물질을 한번에 계측할 수 있다. 이러한 미소화 센서에 사용하는 변환기는 반도체소자와 반도체의 가공기술을 이용하여 만들어지는 마이크로전극이다. 예를들어 전압의 형태로 신호를 증폭할 수 있는 전개효과형 트랜지스터는 질화실리콘으로 피복되어 있고 게이트가 변환기로서 작용한다. 이 게이트 위에 효소를 고정화하면 폭 0.4mm, 길이 0.5mm라는 미소한 효소센서를 제작할 수 있다. 실리콘의 미세가공기술을 사용하여 반응이 일어나면 전류가 흐르는 미소전극도 개발되고 있다. 이것을 과산화수소나 산소를 계측할 수 있는 미소전극을 만들고 이표면에 산화효소를 고정화하면 각종 화학물질을 측정할 수 있다.  

 

2. 유도인지 시스템

미생물 센서는 효소를 별도로 제조할 필요가 없고 연속적 감지 시스템을 손쉽게 구성할 수 있는 장점이 있는 반면 선택성이 떨어지는 근본적인 문제점이 있다. 특히 glucose는 대부분의 미생물이 손쉽게 이용하는 탄소원 이므로 glucose가 배지에 첨가된 경우 다른 성분 대사결로나 물질수송 기구를 차단하거나 필요한 대사활성을 유도시켜야 한다. 미생물센서에 있어 glutamic acid에 대한 신소에 영향을 주지 않으면서 glucose에 대한 신호를 현저하게 낮출 수 있으며, 미생물 배양 중 분석대상물질을 기질로 첨가하여 관련효소를 유도한“induced bacteria"를 제조하여 선택성이 크게 향상된 미생물 센서를 제조 할수 있다. Cholesterol과 lactate를 측정하는 세포를 이용하는 미생물센서의 감도를 관련효소인 oxidase를 유도함에 의하여 크게 증진시킬 수 있다고 보고되고 있다.

 

< 참고 문헌>

바이오센서의 원리와 식품산업에 응용 - 한국식품과 학회분석분과의원회(1998년 논문집)
바이오센서 - 가루베 이사오 지음(장호남 감수/장상목/이수미 옮김)
바이오센서 -  정윤수 (고려의학)
센서活用技術 - 黃奎燮 지음
센서事典 - 타카하시 키요시,외저