반도체 공정기술 활용 식중독 유해균 실시간 포집 및 신속현장 판별기술 개발
나노종합기술원(이하 ‘기술원’)이 반도체 공정기술로 구현된 나노구조체(나노패터닝, 나노섬모구조)를 이용하여 유해 식중독균을 현장에서 5분 이내로 검출이 가능한 기술 개발에 성공했다.
개발기술을 활용할 경우, 식품 가공 및 조리환경에서 발생되는 식중독 유해균을 신속하게 포집하고 판별할 수 있어, 일상생활에서 발생하는 식중독균 감염 상황을 최소화할 수 있을 것으로 기대된다.
본 연구성과는 기술원 이경균 박사, 한국생명공학연구원 강태준 박사, 강원대학교 최봉길 교수와의 공동연구 성과로, 국제 학술지인 ACS Nano (IF=14.588)에 2021년 3월 표지논문으로 게재되었다.
※ 논문명 : 3D Hierarchical Nanotopography for On-Site Rapid Capture and Sensitive Detection of Infectious Microbial Pathogens(pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c09411)
금번 개발기술은 반도체 공정기술을 활용한 나노섬모 구조체와 박테리아 효소 감응 유전자 프로브* 기술 융합을 통하여, 잠재적 박테리아에 노출되는 식품 재료와 주방도구로부터 유해 식중독 세균을 실시간으로 현장에서 5분 이내로 포집하고 검출 가능한 나노기술이다.
* 효소 감응 형광 유전자 프로브란?
- 박테리아에 존재하는 효소들과 선택적으로 반응하는 형광 유전자 프로브로, 살아있는 박테리아에서 나오는 효소에 의해 프로브가 분해되고, 그로 인해 형광 신호가 발생하여 박테리아를 검출하는 기술. 박테리아 특이 효소에 의해 형광 신호가 발생하므로, 살아있는 박테리아를 선택적으로 검출할 수 있음
매년 조리도구(식칼, 도마 등)와 식재료의 병원성 박테리아에 의한 감염으로 집단 식중독이 지속적으로 발생하고 있어, 현장에서 식중독균의 선별적 포집과 센싱하는 기술개발의 필요성이 높았다.
이를 위해 연구팀은 반도체 기반 Bio-MEMS 공정기술과 나노구조체(나노섬모 구조의 나노패턴)를 이용하여 현장에서 병원성 식중독균 포집 및 실시간 검출하는 기술을 개발하였다.
※ Bio-MEMS 공정 기술이 적용된 수십 나노미터 크기의 나노섬모 구조와 탄성을 지닌 폴리머 나노패턴을 이용하여 물리화학적 안정성을 향상시키고, 병원성 박테리아를 포집하고 센싱하는 특성 확보
본 기술을 현장 식중독 검사에 적용할 경우, 다양한 주방환경에서 식중독균의 신속한 포집․분석은 물론, 나노구조에 의한 항균성능을 확보할 수 있어 식중독균의 2차 오염도 방지할 수 있음을 확인하였다.
논문을 주도한 기술원 이경균 박사는 “금번 개발된 연구성과를 기반으로 나노포집기(나노구조) 대량생산, 현장 성능평가 및 검증을 위한 추가연구를 통하여 상용화를 추진할 계획이다.”라고 밝혔다.
이조원 원장은 “기술원은 반도체 인프라와 나노바이오 공정기술을 활용하여 식중독 전염예방은 물론 코로나19 등 감염성 질병 검출이 가능한 나노메디컬 디바이스 상용화를 지속적으로 추진하겠다.”라고 밝혔다.
이번 연구는 과학기술정보통신부 나노종합기술원 지원사업(나노 Open Innovation Lab 협력사업), 신진연구자지원사업의 지원을 받아 수행되었다.
□ 반도체 공정기술 활용 실생활 적용가능한 식중독균 포집 및 센서
❍ 고신뢰성, 고안정성 나노네트워크 개발, 병원균 결합력이 높은 나노구조 형성으로 포집력 향상과 실시간 센싱 기능 구현
※ 약 500nm 나노필라와 수십 나노미터 크기의 나노돌기 구조를 이용하여 표면적은 넓히고 식중독균을 실시간으로 포집가능한 나노포집기 개발
❍ 초신속 박테리아 검출 가능 유전자 프로브 개발을 통해 살아있는 식중독균의 실시간 검출 기능 구현
※ 박테리아 특이 효소 감응 형광 유전자 프로브를 이용한 고속 센싱 기술 개발
❍ 나노기술과 센서의 우수성
- 고성능, 고재현, 박테리아 결합성 나노구조 이용 → 표면적은 넓히고 기계적 안정성은 향상하여 실생활에 적용 가능
- 생체적합도가 높고 고균일, 고안정성의 폴리머 소재와 나노 구조, 식중독균 포집과 동시에 현장검출 기술과의 결합
생명과학 나노종합기술원 (2021-03-29)
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