임보규 교수

충북대학교 공업화학과 임보규 교수 연구팀이 성균관대학교 권오석 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 차세대 바이오센서의 한계를 극복할 수 있는 초고안정성 바이오전자 플랫폼을 개발했다. 이번 연구 성과는 세계적인 학술지 Biosensors and Bioelectronics 온라인판에 게재됐다.

이번 연구는 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT) 기반 바이오전자 소자의 고질적인 문제로 지적돼 온 구조적 불안정성과 낮은 재현성을 개선하는 데 초점을 맞췄다. 기존 기술은 나노소재가 기판에 약하게 부착되거나 다층 구조로 형성되는 경우가 많아 센서 성능이 일정하지 않고, 장기간 사용 시 신호 안정성이 떨어지는 한계를 보였다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 ‘이중 클릭 화학(Dual Click Chemistry)’ 기반의 새로운 고정화 기술을 개발했다. 이 기술은 단일층에 가까운 탄소나노튜브를 균일한 밀도로 유지하면서 기판에 강하게 결합시키는 것이 특징이다. 또한 동일한 화학 반응을 활용해 바이오 인식 물질까지 안정적으로 결합할 수 있도록 설계됐다.

개발된 바이오전자 플랫폼은 강한 용매 처리나 반복적인 전기적 구동 환경에서도 구조가 유지되는 높은 안정성을 나타냈다. 특히 기존 기술 대비 재현성과 내구성이 크게 향상된 점이 눈에 띈다.

성능 검증 실험에서는 식품 부패 과정에서 발생하는 악취 성분인 카다베린(cadaverine)을 기체 상태에서 27.02 ppb 수준까지 검출했으며, 스트레스 호르몬 코르티솔(cortisol)은 액체 상태에서 5 pM 수준까지 감지하는 초고감도를 기록했다.

연구팀은 해당 기술을 기반으로 ‘전자코’와 스트레스 호르몬 측정 바이오센서에 실제 적용해 성능을 입증했다. 특히 다양한 간섭 물질이 존재하는 환경에서도 높은 선택성과 정확도를 유지해 의료 진단, 식품 안전, 환경 모니터링 등 다양한 분야로의 확장 가능성을 확인했다.

임보규 교수는 “이번 연구는 탄소나노튜브 기반 바이오센서의 핵심 문제였던 안정성과 재현성을 동시에 해결한 기술”이라며 “여러 산업 분야에서 활용 가능한 핵심 플랫폼이 될 것”이라고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 핵심연구사업, 교육부의 지역대학 우수과학자 지원사업의 지원을 받아 수행됐다. 이번 성과는 차세대 바이오전자 소자의 상용화를 앞당길 수 있는 기반 기술로 평가되며, 학계와 산업계의 높은 관심이 기대된다.