서울시립·성균관·포항공대 공동연구팀, 초분광 이미징 기술 개발

(왼쪽부터) 서울시립대 최인희 교수, 서울시립대 한승연 학생, 성균관대 김인기 교수, 성균관대/하버드 의대 루크 리 교수, 포항공대 노준석 교수/사진제공=서울시립대

서울시립대가 성균관대·포항공대와 공동 연구팀을 꾸리고 메타표면 칩을 통해 실시간으로 세포를 모니터링할 수 있는 초분광 이미징(Hyperspectral imaging) 기술 개발에 참여했다고 14일 밝혔다.

초분광 이미징이란 현미경을 통해 사물의 형상과 분광 신호를 동시에 분석하는 것으로, 질병의 조기 진단과 치료제 개발을 가능케 하는 기술이다. 본 연구에서는 '플라즈몬 공명 에너지 전달 현상(Plasmonic resonance energy transfer, PRET)'을 통해 표적화학물질의 분자 지문을 비표지 방식으로 검출할 수 있는 기술을 개발했다고 시립대 측은 설명했다.

PRET 기반의 센서 기술은 빛 에너지를 산란시키는 물체와 그 에너지를 흡수하는 물체 사이의 에너지 전달 현상을 통해 빛을 흡수하는 물체의 화학 정보를 알아낼 수 있다. 기존의 나노입자 탐침 기반의 PRET 센서는 나노입자의 제한된 산란 특성으로 인해 한 번에 하나의 분자만 측정할 수 있고, 세포와 세포 사이에서 일어나는 물질 전달을 실시간으로 모니터링하기 어려운 단점이 존재했다. 또한 세포의 시공간적 변화를 정확하게 실시간으로 모니터링을 하기 위해서는 좀 더 정밀한 칩 형태의 디바이스 구현이 필요했다.

연구팀은 머리카락 굵기 1000분의 1에 불과한 초박형 평면 광학 소자인 메타표면을 활용해 초분광 이미징 및 멀티플렉싱 센서 기술을 개발했다. 메타표면 칩은 빛의 산란 특성을 자유자재로 조절할 수 있고, 이를 이용해 가시광선 영역에서 원하는 파장의 빛만을 산란시키는 광소자를 구현했다.

또 연구팀은 동물 및 식물세포의 신진대사에 중요한 역할을 하는 시토크롬(Cytochrome) 및 클로로필(Chlorophyll)과 같은 서로 다른 종류의 분자들을 메타표면 칩을 통해 한 번에 검출할 수 있음을 확인했다. 이 메타표면 칩을 통해 살아있는 세포에서 분비되는 활성산소를 실시간으로 검출할 수 있는 기술을 선보였다.

시립대 관계자는 "이번 연구를 통해 구현된 메타표면 칩 기반 초분광 이미징 및 센서 기술은 세포 내의 다양한 화학물질을 검출할 수 있을 뿐만 아니라 세포 간 커뮤니케이션에 사용되는 세포 분비물을 실시간으로 모니터링할 수 있을 것으로 기대된다"고 밝혔다.

한편 본 연구 결과는 국제학술지인 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)에 지난 10일 정식 출판됐고, 해당 호 표지논문으로 선정됐다. 이번 연구는 미래유망융합기술 파이오니어 사업, 선도연구센터, 중견연구자지원 사업 및 세종과학펠로우십 사업 등을 통해 수행됐다.