그래핀 바이오센서 개념도. 4인치 웨이퍼에 특정한 모양으로 그래핀 센서를 제작한다. 그래핀(rGO layer) 위에는 특정 단백질에 반응하는 항체(Antibody)가 부착된다. 항체가 특정 단백질(Target biomarkers)와 반응하면 금 박막(Gold micro-electrode)에서 측정되는 그래핀의 전도도가 변한다. 그래프에서 파란 점선은 일반적인 그래핀 전도도, 붉은 선은 특정 단백질이 있을 때의 전도도를 표시한 것이다.

한국과학기술원(KIST) 연구진이 그래핀을 이용한 고감도 바이오센서 제작기술을 개발했다. 연구진은 반도체 공정기술을 이용해 4인치 대면적 패널에서 센서를 제작했다. 대면적 패널을 이용하면 제작 단가를 낮추고 상용화 가능성을 높일 수 있다. 이 연구는 '사이언티픽 리포트' 8월10일자 온라인 판에 게재됐다.

KIST 바이오마이크로시스템연구단 황교선 박사팀은 그래핀과 반도체 공정기술을 이용해 고감도 바이오센서를 제작했다.

먼저 패널 위에 정교한 그래핀 패턴을 만들고 양쪽 끝에 금 박막을 만든다. 금 박막은 그래핀의 전도도 변화를 측정하는데 사용된다. 그래핀 표면에는 혈액 내 특정 단백질에만 반응하는 항체를 고정한다. 해당 항체가 특정 단백질과 반응할 경우 그래핀의 전기 전도도에 영향을 준다. 혈액을 떨어뜨리고 그래핀의 전도도 변화를 측정하면 혈액 내 특정 단백질 존재 유무를 확인할 수 있다.

이렇게 제작된 센서는 혈액에 피코그램(pg, 1조분의 1그램) 단위로 함유된 매우 적은 양의 단백질을 검출할 수 있다.

황선교 박사는 "혈액 1㎖에서 피코그램 단위의 단백질을 찾는 것은 지구에서 자유여신상을 찾는 것과 비슷하다"고 설명했다. 이 정도 민감도를 가진 센서는 혈액 1방울만 있어도 기존 방법보다 더 정밀하게 질병에 관련된 단백질을 찾아내 질병 유무를 구분할 수 있다.

그래핀을 이용해 고감도 센서를 만든 연구가 처음은 아니다. 황 박사는 "지금까지 연구는 상용화에 근접하지 못했다"며 "재현성이 없고, 대면적에서 구현하지 못했기 때문"이라고 설명했다. 하지만 이번 황 박사팀의 연구는 재현성과 대면적 구현 모두 성공했다.

재현성은 동일한 성능을 꾸준하게 보여주는 것을 뜻한다. 황 박사는 "기존 방법은 작은 조각 내에서만 동일한 성능이 나오도록 할 수 있었다"며 "이번 연구에서는 4인치 대면적 패널 어디에서도 동일한 센서 성능을 발휘하는 것이 가능하다"고 설명했다.

황 박사는 "이번 연구 결과로 혈액 검사라는 쉬운 방법을 통해 다양한 질병이 진단 가능한 고감도 센서의 상용화에 한발 더 접근했고, 대면적에 구현할 수 있는 기술적 토대를 마련했다는 데 의미가 있다"며 "다양한 질병의 적용 가능성을 확인하기 위해 국내외 임상 기관과 협력하여 임상 연구를 수행할 예정이다"고 말했다.

[테크M = 도강호 기자(gangdogi@techm.kr)]