10분 안에 PCR 현장진단 가능해진다

KAIST 정기훈 교수 연구팀
초고속·초소형 PCR시스템 개발

KAIST가 개발한 초소형 초고속 PCR 시작품 및 성능지표.[KAIST 제공]

국내 연구진이 병원에 가지 않고도 현장에서 10분 이내에 바이러스 감염여부를 확인할 수 있는 PCR(중합효소연쇄반응) 시스템 개발에 성공했다.

카이스트(KAIST)는 바이오및뇌공학과 정기훈 교수 연구팀이 나노종합기술원과 오상헬스케어와의 공동연구를 통해 코로나19 바이러스 검출 95% 정확도를 가진 현장 진단에 적합한 초고속 초소형 플라즈모닉 핵산 분석 시스템을 개발했다고 11일 밝혔다.

연구팀이 개발한 시스템은 광열 나노소재 기반 초고속 플라즈모닉 열 순환기, 미세 유체 랩온어칩 기반 금속 박막 카트리지, 초박형 마이크로렌즈 어레이 형광 현미경 등 최첨단 마이크로 나노기술을 접목했다. 코로나19 RNA 바이러스를 10분 이내에 성공적으로 검출하고 95% 이상 정확도를 구현했다.

플라즈모닉 열 순환기는 나노 및 마이크로공정기술을 통해 유리 나노 기둥 위 금나노섬 구조와 백금박막 저항 온도센서를 결합해 대면적으로 제작됐다. 해당 나노구조는 가시광선 전 영역에서 광 흡수율이 매우 높아 백색광 다이오드(LED)의 빛을 빠르게 열로 치환해 온도상승 속도를 대폭 향상시켰으며, 상단에 있는 박막 저항 온도센서를 통해 실시간으로 표면 온도를 측정함으로써 초고속 열 순환 기능을 구현했다.

또한 연구팀은 사출 성형된 플라스틱 미세 유체 칩과 알루미늄 박막을 결합해 금속박막 카트리지를 개발, 이를 통해 값비싼 나노소재의 재사용률을 높이고 비용 효율을 극대화했다.

정기훈 KAIST 전기및전자공학부 교수 [KAIST 제공]

해당 금속 박막은 두께가 얇고 열전도율이 높으므로 열 순환기로부터 발생한 광열을 반응 용액에 효율적으로 전달해 온도상승 및 하강 속도를 개선했다. 또한 금속 박막은 빛 반사율 또한 매우 높아 플라즈모닉 핵산 증폭 기술의 가장 큰 한계점인 광열 여기광원과 형광 검출 사이의 광학적 누화 현상을 완전히 해결했다.

연구팀은 미세 유체칩 내 실시간 정량화를 위해 마이크로공정기술을 활용해 곤충 눈을 모사한 마이크로렌즈 어레이 형광 현미경도 개발했다. 해당 기술은 초점거리의 한계를 극복해 10밀리미터(mm)의 초근접 거리에서 미세 유체 채널의 형광 이미지를 촬영할 수 있도록 제작됐고 전체 형광 시스템의 크기를 대폭 축소했다.

정기훈 교수는 “플라즈모닉 핵산분석 시스템이 속도, 가격, 크기 측면에서 현장 진단에 매우 적합해진단 장비의 탈중앙화를 가능하게 할 뿐만 아니라 다중이용시설이나 지역 병원 등 방역 현장에서 바이러스 검출 목적으로 활용할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

이번 연구성과는 국제학술지 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’에 게재됐다.

구본혁 기자

nbgkoo@heraldcorp.com